一個研究生的火星任務日記（三）——每個太空飛行器都是一件平衡的藝術品

2020-08-19 牧夫天文

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一個研究生的火星任務日記（三）

——每個太空飛行器都是一件平衡的藝術品

原作：徐鵬暉

編排：王璞

後臺：庫特莉亞夫卡 李子琦

就在軌道設計那邊爭分奪秒的同時，另一邊載荷設計-太空飛行器設計這邊也是在連軸轉。

科學目標確定以後，我們兵分三路，小陳同學負責星上遙感載荷和火星車載荷，師兄負責星上粒子探測載荷，師姐負責無人機。

不光是有效載荷，太空飛行器上其實還包含了很多其他的分系統。以衛星為例，除有效載荷外，還包括結構機構、姿軌控、推進、測控通信、綜合電子、電源、熱控、總體電路等分系統。每一個分系統都有其自身複雜的內部構成，要對它們進行設計所覆蓋的知識範圍實在太廣，包括但不限於機械、電子、通信、計算機、導航、材料、工程熱物理等等（其中很多知識特別是通信方面的我都是自己課外去補的）。而這些分系統之間還會相互影響，比如推進分系統的推進劑貯箱得在太空中保持很窄的溫度範圍才能讓推進劑維持液態從而正常工作，因此熱控分系統就要對此有所考慮，然而這樣一來所消耗的功率會有所增加，又會給電源分系統帶來負擔……諸如此類，不一而足，無疑加大了設計難度。

除了太空飛行器自身內部的複雜結構，太空飛行器外的其他與任務相關的系統也會對太空飛行器提出限制要求。比如運載火箭會對太空飛行器的總重和包絡尺寸提出限制，不考慮這個的話設計出來的太空飛行器可能會面臨火箭帶不動或者沒法裝進整流罩裡的慘劇。

而這所有的需求與限制最終是需要一個人來協調的，不然大家都想把自己的需求最大化，這個工程就別想攢得成了。這個事情自然就落到了我的肩上，但隨著任務設計的進行，我深感人手不夠，於是小陳同學和師姐也被拉了過來一塊做太空飛行器分系統的設計。（說真的我這個時候才意識到這個項目實在太大，就算是概念論證都太大了，我們小組6個人完全不夠用）

有效載荷設計完了以後相關的數據有了，我和小姜同學就趕緊開始搞太空飛行器總體。無數輪debug以後，大概搞出來了這麼個東西：

這是一個軌道器+著陸艙的組合體模型圖，方塊部分是軌道器，頂上的圓錐圓臺組合體是火星車著陸艙，著陸艙負責在EDL過程中為裡面的火星車提供安全軟著陸的保障，軌道器尾部的是發動機噴嘴，側邊的是高增益天線(HGA)和太陽帆板

圖片來源 小姜同學

這是著陸艙主要結構的分解圖，著陸方式參考了「好奇號」火星車，在EDL過程的最末端採用天空起重機進行懸停選址和輔助火星車軟著陸，其實設計過程中也考慮過用氣囊緩衝等其他方式，因為畢竟天空起重機本身的質量也很大，而且用完就扔了，效率不高，但火星車本身有近600kg的質量（相比之下天問一號火星車的質量約為240kg[1]），這意味著只有天空起重機才能把這個「大胖子」安全送到地面

圖片來源 小姜同學

但是光有外觀還是不夠的，組合體的各項參數都需要具體設計給出，包括質量、尺寸、功率、數據傳輸碼率、工作溫度、姿態控制要求、壽命等等。其實光質量一項就夠頭疼的了，第一輪綜合下來組合體乾重（不包括推進劑的質量）就有7t左右，要知道長徵五號的TMI運力也才5.5t左右。

群裡沒人說話，誰都知道接下來必然是一個大砍總質量的過程。

然而第二輪綜合之後，我傻眼了，組合體乾重居然還有6.5t，這一定是哪裡出了問題。仔細盤點細節後我才發現，我們由於相關數據不夠，很多地方的質量數據都是往大了估的，這導致我們的總質量數據裡有很多「水分」。

於是接下來的一段時間裡，知網、web of science、elsevier、springer成了我瀏覽器裡最常用的幾個網址（以上幾位出版商請記得給我打廣告費）。在拉了幾十篇論文以及網上的現成產品數據以後，我滿懷期待地開始了第三輪綜合。

結果乾重5.5t……

「真的，挺絕望的……」

「質量就像海綿裡的水，擠擠總是有的嘛。」

「終於要到這一步了嗎？」

這時還有最後一個辦法，也是我最不願意用的辦法，就是砍掉部分有效載荷。因為平臺是圍繞有效載荷的需求來設計的，砍掉有效載荷不僅能減少有效載荷自身的重量，配套的分系統也能減重不少，由此帶動推進劑質量的減少，減重效果是非常顯著的。但相應的代價就是無法保證科學目標的有效完成，不得不對科學目標瘦身。

我找到小陳同學：「你設計的那些有效載荷能不能列個優先級列表給我啊？」

「這是……準備要砍載荷了嗎？」

「說實話我也不想，但是如果下一輪減重還是這樣的話我沒辦法只能這麼幹了。」

「那好吧。」

最後我把大家都喊來開了個線上會議，用這個更為高效的溝通方式成功找出了更多問題，成功把乾重壓到了3t，這個優先級列表也就沒有派上用場。但是這意味著一個事情，即雖然太空飛行器平臺在構思上是以科學載荷為中心的，但並不意味著科學載荷不可修改。在實際操作中，總體設計人員經常要像這樣根據各方需求和限制將設計方案來回修改，在科學家和工程師們中間做各種協調和取捨，實乃「平衡的藝術」。

不光是質量，各種儀器在軌道器上安裝的位置、通信碼率和時長的分配、功率分配等等，都是像這樣經過多輪的精打細算安排出來的。然而百密一疏，水平有限，最後設計出來的東西還是留下了太多漏洞，乃至於到了答辯的那天……

「小姜小姜，這要出事，你趕緊看看前一組現在的那個問題。」

「咋了？」

「這不是在說那個星敏感器的安裝位置問題嗎？前一組的好像出問題了，然後我趕緊看了下我們的，好像是一樣的問題……」

「完蛋……」

「現在趕緊改吧，然後改完之後你把截圖給我，我直接把ppt裡的相關圖片換掉，應該還來得及。」

於是我們開始了驚險刺激的現場改圖，那刺激程度就和期末考試收卷前幾分鐘瘋狂塗整張試卷的答題卡不相上下。一番極限操作後，我們還是在開始展講前5分鐘成功把ppt上的出錯圖片換下。

說實話我到最後答辯結束後都還是覺得我們這個任務的太空飛行器平臺的設計還是有很多疏漏的地方，比如300kg質量預算的軌道器承力結構強度究竟幾何還得打個問號。

所以對於那些已經通過實踐檢驗，證明了自己是個成功的作品的那些太空飛行器而言，它們的價值是不言而喻的。也許它曾在熱搜榜上獨佔鰲頭，也許它只是一顆小小的立方星，而在它成功出廠的那一刻起，它就是一件平衡的藝術品。（未完待續）

參考資料：

[1]http://tv.cctv.com/2020/07/23/VIDE3r9sZ4iqou0u9WtYmoc9200723.shtml

責任編輯：艾宇熙

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

天問一號結構設計

圖片來源自網絡

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