近日，一項(xiàng)關(guān)于火星地下液態(tài)水的重大發(fā)現(xiàn)再次引發(fā)全球關(guān)注：科學(xué)家通過雷達(dá)探測技術(shù)，首次在火星表面以下5.4至8公里處發(fā)現(xiàn)大量液態(tài)水存在。這一突破不僅顛覆了人類對(duì)火星的認(rèn)知，也為未來載人登陸和資源利用提供了關(guān)鍵線索。而這項(xiàng)探索背后，離不開一項(xiàng)由中國自主研發(fā)的核心技術(shù)——“火星探測行星際飛行及環(huán)繞平臺(tái)技術(shù)”。這項(xiàng)技術(shù)曾助力“天問一號(hào)”完成人類首次一次性實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視”的壯舉，并于2022年榮獲上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，成為我國深空探測的里程碑。

從“奔火”到“繞火”的技術(shù)挑戰(zhàn)

火星與地球十分相似，是了解地球前世今生、開發(fā)地外生存空間的首選目標(biāo)。但是，火星與地球之間的平均距離約2.25億公里，最遠(yuǎn)可達(dá)4億公里。在“天問一號(hào)”之前，國內(nèi)外實(shí)施了近50次火星探測，成功率剛過半。2020年7月，“天問一號(hào)”探測器從地球出發(fā)，歷經(jīng)202天飛行抵達(dá)火星軌道。在這段堪稱“星際馬拉松”的旅程中，探測器克服了六項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題：器地通信時(shí)延長達(dá)20分鐘以上、太陽輻射強(qiáng)度變化劇烈、火星捕獲機(jī)會(huì)僅有一次、極端低溫環(huán)境適應(yīng)、通信中斷時(shí)間長，以及缺乏一手火星環(huán)境數(shù)據(jù)。其中，火星捕獲制動(dòng)被公認(rèn)為任務(wù)中風(fēng)險(xiǎn)最高、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

當(dāng)探測器接近火星時(shí)，必須通過發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火減速，使其被火星引力捕獲。這一步被形象地稱為“踩剎車”——時(shí)機(jī)誤差1秒、推力偏差1毫米，都可能導(dǎo)致探測器撞向火星或飛離軌道，因此，火星制動(dòng)捕獲機(jī)會(huì)只能是“唯一”，實(shí)施捕獲動(dòng)作的時(shí)間窗口極窄，可靠性要求100%。為了克服火星引力捕獲時(shí)的巨大風(fēng)險(xiǎn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于“開機(jī)時(shí)長”和“速度增量”的雙關(guān)機(jī)策略，以精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，保證探測器能夠被火星引力成功捕獲并進(jìn)入環(huán)火軌道。2021年2月10日，“天問一號(hào)”環(huán)繞器成功完成火星捕獲，成為我國首顆人造火星衛(wèi)星。

4億公里通信的極限挑戰(zhàn)

信號(hào)衰減是深空通信的“頭號(hào)敵人”。當(dāng)探測器距離地球最遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度比月球探測任務(wù)弱百萬倍。為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了超高靈敏度數(shù)字化應(yīng)答機(jī)和2.5米大口徑可驅(qū)動(dòng)天線，使環(huán)繞器具備“聽聲辨位”的能力，能在嘈雜噪聲中捕捉微弱信號(hào)。同時(shí)，通過多碼率自適應(yīng)信息處理技術(shù)，環(huán)繞器實(shí)現(xiàn)了1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，確保科學(xué)數(shù)據(jù)和工程指令的可靠傳遞。這一技術(shù)突破，讓“天問一號(hào)”在4億公里外的火星上空穩(wěn)定運(yùn)行，并為祝融號(hào)火星車提供中繼通信支持。

極端環(huán)境，是深空探測的另一大挑戰(zhàn)。火星探測器面臨極端溫差（-180℃至+100℃）、長期陰影區(qū)運(yùn)行以及長達(dá)30天的“日凌”通信中斷等挑戰(zhàn)。為提升自主運(yùn)行能力，團(tuán)隊(duì)又研制了小型化綜合電子系統(tǒng)，集成遙測遙控、熱控管理、配電控制等功能，并設(shè)計(jì)多模式信息自主處理方法。在“日凌”期間，環(huán)繞器能獨(dú)立完成任務(wù)管理，自主調(diào)整姿態(tài)和能源分配，保障系統(tǒng)安全。這一“自主大腦”讓探測器在無地面干預(yù)的情況下穩(wěn)定運(yùn)行超30天，創(chuàng)下我國深空探測器自主管理的新紀(jì)錄。

從“繞火”到深空探測的基石

在“天問一號(hào)”之前，我國沒有一手的火星探測數(shù)據(jù)，只能依靠國外。“天問一號(hào)”任務(wù)的成功實(shí)施，為我國科研工作者提供了大量科學(xué)數(shù)據(jù)，產(chǎn)出大量科研成果。為了這一任務(wù)，朱新波和團(tuán)隊(duì)付出了10年的心血：2010年開啟背景任務(wù)論證，其間經(jīng)歷多輪次方案迭代；2014年正式啟動(dòng)方案攻關(guān)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展火星環(huán)繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個(gè)研制階段持續(xù)了6年時(shí)間。

2020年7月，“天問一號(hào)”探測器在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，標(biāo)志著我國航天器實(shí)現(xiàn)了從地月系向行星際的跨越式發(fā)展。此次獲獎(jiǎng)的“行星際飛行及環(huán)繞平臺(tái)技術(shù)”不僅攻克了火星探測的高精度軌道控制、環(huán)境自適應(yīng)能力、多任務(wù)協(xié)同管理等關(guān)鍵難題，還為后續(xù)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，“天問一號(hào)”環(huán)繞器仍在火星軌道開展科學(xué)探測，已獲取大量火星大氣、地質(zhì)和磁場數(shù)據(jù)。天問二號(hào)探測器也已順利轉(zhuǎn)入發(fā)射區(qū)，計(jì)劃5月底擇機(jī)發(fā)射，正如朱新波所說：“深空探測是系統(tǒng)工程，需要集智攻關(guān)。”