5月15日，“天問一號”火星探測器成功著陸在距離地球億萬公里外的火星烏托邦平原。此次火星探測是我國首次獨立開展的行星星際探測任務，旨在通過一次發(fā)射實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸和巡視。

作為位置和速度測量的重要手段，中國航天科工二院25所獨立研發(fā)的具備高精度測量能力的相控陣敏感器，持續(xù)為航天器提供高精度的測量數(shù)據(jù)，成功助力著陸巡視器安全著陸火星表面。

新體制 太空“眼”

據(jù)介紹，相控陣敏感器安裝在火星著陸巡視器進入艙著陸平臺的下方，作用范圍達十幾千米，可謂火星探測器的太空“千里眼”，和其他不同原理的測量敏感器一起，密切配合，“接力”引導航天器平安落地。相控陣敏感器在航天器進入火星大氣后，距火星表面約 7km高度時開始工作，持續(xù)提供相對于火星表面多個方向的距離、速度數(shù)據(jù)，用于航天器的減速、懸停和軟著陸控制，直至著陸巡視器降落至火星表面約5米處。

航天器從約125公里處高空進入火星大氣，時速高達每秒5.9公里，要在短短七分鐘的時間內，讓航天器的速度降低到零，是火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻。

相控陣敏感器總工程師孫武介紹，這是國內首次將相控陣體制雷達應用于地外天體著陸測量。與此前的載人航天工程任務不同，火星和地球之間距離漫長，通信存在十幾分鐘的時延，在地球上無法控制著陸過程，必須讓著陸巡視器自主完成這‘黑色七分鐘’的旅程，對敏感器提出的要求極為苛刻。

“相比于國內外已有的著陸測量雷達，相控陣體制的雷達天線由多個輻射單元組成，就像生物學中蜻蜓的復眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標容量大、抗干擾能力強等特點。”孫武詳細介紹了新體制敏感器的技術優(yōu)勢。

“25所研制的相控陣敏感器能在預設的9個方向上任意快速切換，通過軟件定義，在每個測量周期實時選取4個最優(yōu)方向，測量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態(tài)測量誤差，準確地找到火星的水平面，確保著陸器的方向控制準確無誤。”

抗干擾 高可靠

相控陣敏感器主任設計師劉佳透露，火星著陸巡視器在下降過程中，會經歷多種工作環(huán)境。與之前落月任務相比，由于火星重力比月球大，著陸下降加速度會更快，需要利用火星大氣進行降落傘減速。在高速下落過程中打開降落傘，航天器會因減速沖擊發(fā)生劇烈擺動，是影響著陸成敗的關鍵時刻。

“這一瞬間，在相控陣敏感器的測量方向上，距離會有很大的變化，同時部分測量信號會打到地平線以上，出現(xiàn)檢測不到目標的情況。”劉佳說，“對相控陣敏感器來說，就像在快速蕩秋千，眼睛要看清地面一頁紙上寫的字。”

產品相控陣體制測量速度快、受干擾影響小的特點，能夠在擺動過程中快速準確測量，同時，航天器可以通過軟件切換測量方向，選用可探測到地面的方向信號，為著陸成功提供了堅強保障。

此外，火星上時常會發(fā)生劇烈的塵暴天氣，在巡視著陸器靠近火星表面時，航天器發(fā)動機噴射也會激起地面的粉塵和沙礫，對探測傳感器造成影響。

“微波信號體制應對這種環(huán)境具有相對優(yōu)勢，”孫武說，“在這個前提下，產品在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，采用多種算法進行了綜合優(yōu)化，并在沙漠戈壁通過直升機氣流模擬試驗了在沙塵暴天氣中的工作狀態(tài)，確保測量的可靠性。”

同時，相控陣敏感器采用了瓦片式收發(fā)模塊高密度集成，大幅提高了小型化、輕量化水平，“相當于用 1套設備完成9套傳統(tǒng)設備的功能。”設計師賈學振介紹，“這意味著航天器可以攜帶更多科學載荷和燃料，完成更多的探測任務。”

謀創(chuàng)新 造精品

相控陣敏感器是“90”后設計師陳梟煜工作以來參加的第一個項目，臨近執(zhí)行任務的那段日子，他忙碌又興奮。“產品采用了全新的相控陣體制，每項試驗它都表現(xiàn)得非常出色，我們相信它已經做好了充分準備迎接這次火星任務。”

體制越新，帶來的難度也就越大。“科技創(chuàng)新這條路，一定會有坎坷，但必須要堅持走。”孫武說。

在研制初期，相控陣敏感器團隊就瞄準國際領先的目標，制定距離和速度的測量精度要求。這是一次新體制在新環(huán)境下的新應用，孫武帶領研究團隊“從零”開始技術攻堅。

2016年項目成立，相控陣敏感器團隊當即組建了總體、調度、組合、工藝、結構、可靠性、物資、質量等突擊分隊，聚焦關鍵技術突破，協(xié)同集智攻關，從縱向和橫向覆蓋產品的各個研制環(huán)節(jié)，按時、保質、保量的高效完成了多輪產品的設計和研制，通過了直升機掛飛試驗、外場揚塵試驗、懸停點火試驗等十余項試驗的驗證，并圓滿完成任務。

“立項時間晚，產品技術新。”這是火星探測工程總師對25所產品的評價。這支平均年齡僅為35歲的年輕團隊，在短短幾年的時間內打造出了高科技、硬質量的“航天精品”，技術水平達到世界一流水平，相比于國外同類產品，實現(xiàn)了體積更小、重量更輕、功能更全、精度更高的既定目標，被稱為“著陸末段黑色七分鐘的保命手段”。

“自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路。”在探索宇宙未知的征途上，創(chuàng)新已經成為中國航天人代代相傳的基因，也是我們不斷取得成功的法寶。

依托我國首次火星探測任務，25所相控陣敏感器首次成功實現(xiàn)了地外天體著陸測量，性能穩(wěn)定、表現(xiàn)完美，標志著25所向深空探測又邁出了堅實的一步，為25所在空間載荷領域提供了更廣闊的發(fā)展空間。(記者 宋雅娟)

關鍵詞： 千里眼 相控陣敏感器 天問一號 火星探測器