我国首次独立开展行星星际探测任务 “千里眼”相控阵敏感器助力天问落火

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日期:2021-05-16 14:20:06    来源:光明网    

5月15日,“天问一号”火星探测器成功着陆在距离地球亿万公里外的火星乌托邦平原。此次火星探测是我国首次独立开展的行星星际探测任务,旨在通过一次发射实现对火星的环绕、着陆和巡视。

作为位置和速度测量的重要手段,中国航天科工二院25所独立研发的具备高精度测量能力的相控阵敏感器,持续为航天器提供高精度的测量数据,成功助力着陆巡视器安全着陆火星表面。

新体制 太空“眼”

据介绍,相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方,作用范围达十几千米,可谓火星探测器的太空“千里眼”,和其他不同原理的测量敏感器一起,密切配合,“接力”引导航天器平安落地。相控阵敏感器在航天器进入火星大气后,距火星表面约 7km高度时开始工作,持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据,用于航天器的减速、悬停和软着陆控制,直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。

航天器从约125公里处高空进入火星大气,时速高达每秒5.9公里,要在短短七分钟的时间内,让航天器的速度降低到零,是火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。

相控阵敏感器总工程师孙武介绍,这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量。与此前的载人航天工程任务不同,火星和地球之间距离漫长,通信存在十几分钟的时延,在地球上无法控制着陆过程,必须让着陆巡视器自主完成这‘黑色七分钟’的旅程,对敏感器提出的要求极为苛刻。

“相比于国内外已有的着陆测量雷达,相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成,就像生物学中蜻蜓的复眼,具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。”孙武详细介绍了新体制敏感器的技术优势。

“25所研制的相控阵敏感器能在预设的9个方向上任意快速切换,通过软件定义,在每个测量周期实时选取4个最优方向,测量距离速度信息,从而快速修正航天器的姿态测量误差,准确地找到火星的水平面,确保着陆器的方向控制准确无误。”

抗干扰 高可靠

相控阵敏感器主任设计师刘佳透露,火星着陆巡视器在下降过程中,会经历多种工作环境。与之前落月任务相比,由于火星重力比月球大,着陆下降加速度会更快,需要利用火星大气进行降落伞减速。在高速下落过程中打开降落伞,航天器会因减速冲击发生剧烈摆动,是影响着陆成败的关键时刻。

“这一瞬间,在相控阵敏感器的测量方向上,距离会有很大的变化,同时部分测量信号会打到地平线以上,出现检测不到目标的情况。”刘佳说,“对相控阵敏感器来说,就像在快速荡秋千,眼睛要看清地面一页纸上写的字。”

产品相控阵体制测量速度快、受干扰影响小的特点,能够在摆动过程中快速准确测量,同时,航天器可以通过软件切换测量方向,选用可探测到地面的方向信号,为着陆成功提供了坚强保障。

此外,火星上时常会发生剧烈的尘暴天气,在巡视着陆器靠近火星表面时,航天器发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾,对探测传感器造成影响。

“微波信号体制应对这种环境具有相对优势,”孙武说,“在这个前提下,产品在信号频段选择上做了充分的对比和论证,采用多种算法进行了综合优化,并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态,确保测量的可靠性。”

同时,相控阵敏感器采用了瓦片式收发模块高密度集成,大幅提高了小型化、轻量化水平,“相当于用 1套设备完成9套传统设备的功能。”设计师贾学振介绍,“这意味着航天器可以携带更多科学载荷和燃料,完成更多的探测任务。”

谋创新 造精品

相控阵敏感器是“90”后设计师陈枭煜工作以来参加的第一个项目,临近执行任务的那段日子,他忙碌又兴奋。“产品采用了全新的相控阵体制,每项试验它都表现得非常出色,我们相信它已经做好了充分准备迎接这次火星任务。”

体制越新,带来的难度也就越大。“科技创新这条路,一定会有坎坷,但必须要坚持走。”孙武说。

在研制初期,相控阵敏感器团队就瞄准国际领先的目标,制定距离和速度的测量精度要求。这是一次新体制在新环境下的新应用,孙武带领研究团队“从零”开始技术攻坚。

2016年项目成立,相控阵敏感器团队当即组建了总体、调度、组合、工艺、结构、可靠性、物资、质量等突击分队,聚焦关键技术突破,协同集智攻关,从纵向和横向覆盖产品的各个研制环节,按时、保质、保量的高效完成了多轮产品的设计和研制,通过了直升机挂飞试验、外场扬尘试验、悬停点火试验等十余项试验的验证,并圆满完成任务。

“立项时间晚,产品技术新。”这是火星探测工程总师对25所产品的评价。这支平均年龄仅为35岁的年轻团队,在短短几年的时间内打造出了高科技、硬质量的“航天精品”,技术水平达到世界一流水平,相比于国外同类产品,实现了体积更小、重量更轻、功能更全、精度更高的既定目标,被称为“着陆末段黑色七分钟的保命手段”。

“自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路。”在探索宇宙未知的征途上,创新已经成为中国航天人代代相传的基因,也是我们不断取得成功的法宝。

依托我国首次火星探测任务,25所相控阵敏感器首次成功实现了地外天体着陆测量,性能稳定、表现完美,标志着25所向深空探测又迈出了坚实的一步,为25所在空间载荷领域提供了更广阔的发展空间。(记者 宋雅娟)

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