信標、戰衣、慧眼……曬曬「天問一號」的中科院元素
2020-07-24 中國科學報作者 | 卜葉 黃辛
「天問一號」成功發射！
作者 | 甘曉 楊璐
記者從國家航天局獲悉， 7 月23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，用長徵五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器，火箭飛行約2167秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國行星探測第一步。天問一號探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後，到達火星附近，通過「剎車」完成火星捕獲，進入環火軌道，並擇機開展著陸、巡視等任務，進行火星科學探測。
首次火星探測任務的科學目標，主要是實現對火星形貌與地質構造特徵、火星表面土壤特徵與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星物理場與內部結構等研究。
7月23日，中國文昌航天發射場，長徵五號遙四運載火箭成功發射火星探測器「天問一號」。「中國航天」四個字讓這個夏天倍加「熱情」。
火星被認為是全球最為熱門的行星「旅行地」。
今年七八月，短短幾周時間裡，太陽、地球和火星成一條直線，地球與火星之間的距離最短，是火星探測器發射的最佳時機。
如果錯過，可能要再等26個月。
絕佳的發射時機也引發了全球新一輪火星探測的熱潮，美國、阿聯、中國、歐盟及俄羅斯不約而同公布了火星探測器發射計劃。
阿聯的「希望」號7月20日發射升空，而歐盟及俄羅斯的ExoMars 2020已於今年3月宣布推遲到 2022 年發射。
火星探測項目是我國繼載人航天工程、探月工程之後又一重大空間探索項目，也是我國首次開展的地外行星空間環境探測活動。
天問一號將一次性實現環繞、著陸和巡視任務，分別由環繞器、著陸巡視器完成。
中國科學院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）、中國科學院上海有機化學研究所（以下簡稱上海有機所）、中國科學院上海矽酸鹽研究所、中國科學院上海技術物理所（以下簡稱上海技物所）、中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）等承擔了部分攻關工作。
做天問一號的信標
相比月球探測，火星探測任務更像是「長跑」。
火星距離地球的最遠距離為4億公裡，是地月距離的1000倍，更遠的距離對探測技術提出更高的要求。
自上世紀60年代以來，全球各國都陸續發射了不少火星探測器。
截至目前，只有美國NASA的「好奇」號成功發射並著陸。
在火星探測過程中，甚長基線幹涉測量技術（VLBI）發揮著重要作用。簡單來說，VLBI就是把幾個小望遠鏡聯合起來，達到一架超大望遠鏡的觀測效果，保證足夠高的解析度，滿足地火轉移段、火星捕獲段、停泊段、離軌著落段、科學探測段等各個飛行段的測量和軌道計算等任務的需要。
中國科學院上海天文臺研究員劉慶會介紹，VLBI對與視線垂直方向上的探測器的位置變化有很高靈敏度，特別是在地火轉移段、近火制動段等測定軌難度較大的測控弧段的優勢明顯。
但遠距離也意味著信號傳輸時間更長，信號的衰減也愈發劇烈。「信號的衰減或導致時延，引發多米諾骨牌效應。」
他舉例，VLBI時延測量誤差1納秒（0.3米），在3000千米的基線長度上，對數億千米遠的火星探測器的與視線垂直方向的單點測軌誤差約為幾十千米，遠大於視線方向約5米的測距誤差。
VLBI時延測量精度的提高是火星探測器測定軌精度提高的關鍵。
上海天文臺迎難而上，承擔了VLBI測軌分系統研發任務，組建了一支由百餘位技術人員組成的試驗隊，並將火星探測VLBI測定軌定為今年的一號任務予以重點保障。
為了提高VLBI測定軌的精度，VLBI測軌分系統共新研發了數十臺套軟體和硬體，分別布置於全國4個測站和VLBI中心。
中國科學院上海天文臺研究員洪曉瑜表示，這些軟體和硬體的研發，能夠進一步提高觀測裝置的測量精度和可靠性、大氣和電離層時延的改正精度，更好地完成火星探測器的VLBI測定軌任務。
作為天問一號的信標，VLBI測軌分系統的測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高，實時任務將持續到2021年。
截至天問一號發射前，VLBI測軌分系統先後完成了各測站星地對接實驗、VLBI中心與各測站設備安裝與調試、測站巡檢等任務，具備了執行首次火星探測VLBI測定軌任務的能力。
設計一套能調控溫度的「戰衣」
太空飛行器在太空的作業環境非常極端。
太空飛行器進入軌道後，處於地球大氣層以外的超高真空空間環境，朝向太陽的表面溫度非常熱，背向太陽的表面則非常冷。
如果表面溫度超過合適的使用範圍，太空飛行器搭載的儀器設備容易損壞，或者直接停止工作，所以衛星的熱控制非常必要。
為了保證儀器設備表面溫度處於正常工作狀態，研究人員常通過在太空飛行器外表面使用不同的太陽吸收率和熱輻射率的塗層來調節其熱平衡溫度，以保證衛星在合適的使用溫度內工作。
有機熱控塗層就像能調控溫度的衣服穿在太空飛行器和儀器的外表面。
熱控制需要熱控材料來完成，目前太空飛行器上大多採用被動熱控材料——熱控塗層和熱包覆材料，也就是人們經常看到的衛星的外觀形態裡塗著的各種不同的顏色的「外衣」。
其中有一類塗層——有機熱控塗層，就是由上海有機所研製和生產的。
自20世紀60年代以來，上海有機所有機熱控塗層研製組為滿足我國第一顆人造衛星「東方紅一號」研製應運而生。
幾十年來，幾代研製組科研人員克服了大量技術和裝備上的困難，團結協作，刻苦攻關，研製出幾十種不同用途的有機熱控塗層。
上海有機所的相關研究人員介紹，目前，黑色有機熱控塗層系列、白色有機熱控塗層系列和其它顏色有機熱控塗層系列產品，已應用於嫦娥系列衛星等各類衛星和太空飛行器上。
此次，中國科學院上海矽酸鹽研究所也承擔了耐高溫多層隔熱材料、導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鍵材料的研製工作，並為火星用關鍵材料開展了空間環境適應性（真空—紫外輻照）考核試驗，確保了關鍵材料在型號上的可靠應用。
為探測儀裝上一雙「慧眼」
進入火星軌道後，天問一號仍然面臨溫度難題。
火星表面溫差較大，火星表面成分探測儀需滿足比較苛刻的存儲溫度和工作溫度條件。
上海技物所與上海光機所通力合作，負責火星表面成分探測儀等的研製工作。
「高能、高光束質量脈衝雷射器是火星表面成分探測儀的關鍵組件。但此前國際上並沒有類似雷射器的在軌報導。」
上海光機所研究員侯霞告訴《中國科學報》，上海光機所歷時3年刻苦攻關，研製出低溫敏、高光束質量全固態脈衝雷射器。
該雷射器是國際上輸出能量最高、工作溫度最寬的火星探測雷射器。經各項測試，雷射器的技術指標滿足火星巖石成分探測需求。
上海技物所負責研製火星表面成分探測儀和火星礦物光譜分析儀兩臺有效載荷，分別在著陸巡視和火星環繞兩個環節對火星表面元素與礦物成分開展科學探測，意在為天問一號打造一雙礦物成分分析的「慧眼」。
上海技物所副所長舒嶸研究員介紹，兩個有效載荷雖然原理不同，但科學目標一致，都是對火星表面礦物進行成分分析。
後續，礦物光譜分析儀與表面成分探測儀還有望開展天地協同實驗。
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、器上組合定標等關鍵技術，集輕小型、低功耗、高性能於一身，以期實現探的更「精」、測的更「準」的科學探測目標。
上海技物所研究員何志平介紹說，通過對火星礦物的精密分析，可以初步了解火星的礦物資源分布，了解其演化過程，對火星的演化過程的研究將有助於預測地球演化進程。
接下來,在天問一號「集中精力」奔赴火星、釋放著陸巡視器、火星車作業等過程中，中國科學院上海分院的相關研究人員將持續跟蹤並提供技術支持和保障。
（封面圖片來源：新華網）
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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