文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者：卜葉 黃辛

7月23日，中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”?！爸袊?guó)航天”四個(gè)字讓這個(gè)夏天倍加“熱情”。

火星被認(rèn)為是全球最為熱門的行星“旅行地”。今年七八月，短短幾周時(shí)間里，太陽(yáng)、地球和火星成一條直線，地球與火星之間的距離最短，是火星探測(cè)器發(fā)射的最佳時(shí)機(jī)。如果錯(cuò)過(guò)，可能要再等26個(gè)月。

絕佳的發(fā)射時(shí)機(jī)也引發(fā)了全球新一輪火星探測(cè)的熱潮，美國(guó)、阿聯(lián)酋、中國(guó)、歐盟及俄羅斯不約而同公布了火星探測(cè)器發(fā)射計(jì)劃。阿聯(lián)酋的“希望”號(hào)7月20日發(fā)射升空，而歐盟及俄羅斯的ExoMars 2020已于今年3月宣布推遲到 2022 年發(fā)射。

火星探測(cè)項(xiàng)目是我國(guó)繼載人航天工程、探月工程之后又一重大空間探索項(xiàng)目，也是我國(guó)首次開展的地外行星空間環(huán)境探測(cè)活動(dòng)。天問(wèn)一號(hào)將一次性實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸和巡視任務(wù)，分別由環(huán)繞器、著陸巡視器完成。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱上海天文臺(tái)）、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱上海有機(jī)所）、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所（以下簡(jiǎn)稱上海技物所）、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）等承擔(dān)了部分攻關(guān)工作。

做天問(wèn)一號(hào)的信標(biāo)

相比月球探測(cè)，火星探測(cè)任務(wù)更像是“長(zhǎng)跑”。火星距離地球的最遠(yuǎn)距離為4億公里，是地月距離的1000倍，更遠(yuǎn)的距離對(duì)探測(cè)技術(shù)提出更高的要求。

自上世紀(jì)60年代以來(lái)，全球各國(guó)都陸續(xù)發(fā)射了不少火星探測(cè)器。截至目前，只有美國(guó)NASA的“好奇”號(hào)成功發(fā)射并著陸。

在火星探測(cè)過(guò)程中，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（VLBI）發(fā)揮著重要作用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VLBI就是把幾個(gè)小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到一架超大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果，保證足夠高的分辨率，滿足地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、停泊段、離軌著落段、科學(xué)探測(cè)段等各個(gè)飛行段的測(cè)量和軌道計(jì)算等任務(wù)的需要。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員劉慶會(huì)介紹，VLBI對(duì)與視線垂直方向上的探測(cè)器的位置變化有很高靈敏度，特別是在地火轉(zhuǎn)移段、近火制動(dòng)段等測(cè)定軌難度較大的測(cè)控弧段的優(yōu)勢(shì)明顯。但遠(yuǎn)距離也意味著信號(hào)傳輸時(shí)間更長(zhǎng)，信號(hào)的衰減也愈發(fā)劇烈。“信號(hào)的衰減或?qū)е聲r(shí)延，引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)?！?/span>

他舉例，VLBI時(shí)延測(cè)量誤差1納秒（0.3米），在3000千米的基線長(zhǎng)度上，對(duì)數(shù)億千米遠(yuǎn)的火星探測(cè)器的與視線垂直方向的單點(diǎn)測(cè)軌誤差約為幾十千米，遠(yuǎn)大于視線方向約5 米的測(cè)距誤差。

VLBI時(shí)延測(cè)量精度的提高是火星探測(cè)器測(cè)定軌精度提高的關(guān)鍵。上海天文臺(tái)迎難而上，承擔(dān)了VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)研發(fā)任務(wù)，組建了一支由百余位技術(shù)人員組成的試驗(yàn)隊(duì)，并將火星探測(cè)VLBI測(cè)定軌定為今年的一號(hào)任務(wù)予以重點(diǎn)保障。

為了提高VLBI測(cè)定軌的精度，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)共新研發(fā)了數(shù)十臺(tái)套軟件和硬件，分別布置于全國(guó)4個(gè)測(cè)站和VLBI中心。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員洪曉瑜表示，這些軟件和硬件的研發(fā)，能夠進(jìn)一步提高觀測(cè)裝置的測(cè)量精度和可靠性、大氣和電離層時(shí)延的改正精度，更好地完成火星探測(cè)器的VLBI測(cè)定軌任務(wù)。

作為天問(wèn)一號(hào)的信標(biāo)，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)的測(cè)角精度可以達(dá)到百分之幾角秒，甚至更高，實(shí)時(shí)任務(wù)將持續(xù)到2021年。

截至天問(wèn)一號(hào)發(fā)射前，VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)先后完成了各測(cè)站星地對(duì)接實(shí)驗(yàn)、VLBI中心與各測(cè)站設(shè)備安裝與調(diào)試、測(cè)站巡檢等任務(wù)，具備了執(zhí)行首次火星探測(cè)VLBI測(cè)定軌任務(wù)的能力。

設(shè)計(jì)一套能調(diào)控溫度的“戰(zhàn)衣”

航天器在太空的作業(yè)環(huán)境非常極端。航天器進(jìn)入軌道后，處于地球大氣層以外的超高真空空間環(huán)境，朝向太陽(yáng)的表面溫度非常熱，背向太陽(yáng)的表面則非常冷。如果表面溫度超過(guò)合適的使用范圍，航天器搭載的儀器設(shè)備容易損壞，或者直接停止工作，所以衛(wèi)星的熱控制非常必要。

為了保證儀器設(shè)備表面溫度處于正常工作狀態(tài)，研究人員常通過(guò)在航天器外表面使用不同的太陽(yáng)吸收率和熱輻射率的涂層來(lái)調(diào)節(jié)其熱平衡溫度，以保證衛(wèi)星在合適的使用溫度內(nèi)工作。有機(jī)熱控涂層就像能調(diào)控溫度的衣服穿在航天器和儀器的外表面。

熱控制需要熱控材料來(lái)完成，目前航天器上大多采用被動(dòng)熱控材料——熱控涂層和熱包覆材料，也就是人們經(jīng)?？吹降男l(wèi)星的外觀形態(tài)里涂著的各種不同的顏色的“外衣”。其中有一類涂層——有機(jī)熱控涂層，就是由上海有機(jī)所研制和生產(chǎn)的。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，上海有機(jī)所有機(jī)熱控涂層研制組為滿足我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”研制應(yīng)運(yùn)而生。幾十年來(lái)，幾代研制組科研人員克服了大量技術(shù)和裝備上的困難，團(tuán)結(jié)協(xié)作，刻苦攻關(guān)，研制出幾十種不同用途的有機(jī)熱控涂層。上海有機(jī)所的相關(guān)研究人員介紹，目前，黑色有機(jī)熱控涂層系列、白色有機(jī)熱控涂層系列和其它顏色有機(jī)熱控涂層系列產(chǎn)品，已應(yīng)用于嫦娥系列衛(wèi)星等各類衛(wèi)星和航天器上。

此次，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所也承擔(dān)了耐高溫多層隔熱材料、導(dǎo)電型低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡、防靜電低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡等關(guān)鍵材料的研制工作，并為火星用關(guān)鍵材料開展了空間環(huán)境適應(yīng)性（真空—紫外輻照）考核試驗(yàn)，確保了關(guān)鍵材料在型號(hào)上的可靠應(yīng)用。

為探測(cè)儀裝上一雙“慧眼”

進(jìn)入火星軌道后，天問(wèn)一號(hào)仍然面臨溫度難題?；鹦潜砻鏈夭钶^大，火星表面成分探測(cè)儀需滿足比較苛刻的存儲(chǔ)溫度和工作溫度條件。上海技物所與上海光機(jī)所通力合作，負(fù)責(zé)火星表面成分探測(cè)儀等的研制工作。

“高能、高光束質(zhì)量脈沖激光器是火星表面成分探測(cè)儀的關(guān)鍵組件。但此前國(guó)際上并沒(méi)有類似激光器的在軌報(bào)道?！?上海光機(jī)所研究員侯霞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，上海光機(jī)所歷時(shí)3年刻苦攻關(guān)，研制出低溫敏、高光束質(zhì)量全固態(tài)脈沖激光器。該激光器是國(guó)際上輸出能量最高、工作溫度最寬的火星探測(cè)激光器。經(jīng)各項(xiàng)測(cè)試，激光器的技術(shù)指標(biāo)滿足火星巖石成分探測(cè)需求。

上海技物所負(fù)責(zé)研制火星表面成分探測(cè)儀和火星礦物光譜分析儀兩臺(tái)有效載荷，分別在著陸巡視和火星環(huán)繞兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)火星表面元素與礦物成分開展科學(xué)探測(cè)，意在為天問(wèn)一號(hào)打造一雙礦物成分分析的“慧眼”。

上海技物所副所長(zhǎng)舒嶸研究員介紹，兩個(gè)有效載荷雖然原理不同，但科學(xué)目標(biāo)一致，都是對(duì)火星表面礦物進(jìn)行成分分析。后續(xù)，礦物光譜分析儀與表面成分探測(cè)儀還有望開展天地協(xié)同實(shí)驗(yàn)。

值得一提的是，火星礦物光譜分析儀突破了紅外背景抑制、高效分光組件、器上組合定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)，集輕小型、低功耗、高性能于一身，以期實(shí)現(xiàn)探的更“精”、測(cè)的更“準(zhǔn)”的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)。

上海技物所研究員何志平介紹說(shuō)，通過(guò)對(duì)火星礦物的精密分析，可以初步了解火星的礦物資源分布，了解其演化過(guò)程，對(duì)火星的演化過(guò)程的研究將有助于預(yù)測(cè)地球演化進(jìn)程。

接下來(lái),在天問(wèn)一號(hào)“集中精力”奔赴火星、釋放著陸巡視器、火星車作業(yè)等過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院上海分院的相關(guān)研究人員將持續(xù)跟蹤并提供技術(shù)支持和保障。