作者:卜叶 黄辛 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/23 13:26:45
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信标、战衣、慧眼……看看天问一号的中科院元素

7月23日,中国文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭成功发射火星探测器“天问一号”。“中国航天”四个字让这个夏天倍加“热情”。

火星被认为是全球最为热门的行星“旅行地”。今年七八月,短短几周时间里,太阳、地球和火星成一条直线,地球与火星之间的距离最短,是火星探测器发射的最佳时机。如果错过,可能要再等26个月。

绝佳的发射时机也引发了全球新一轮火星探测的热潮,美国、阿联酋、中国、欧盟及俄罗斯不约而同公布了火星探测器发射计划。阿联酋的“希望”号7月20日发射升空,而欧盟及俄罗斯的ExoMars 2020已于今年3月宣布推迟到 2022 年发射。

火星探测项目是我国继载人航天工程、探月工程之后又一重大空间探索项目,也是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动。天问一号将一次性实现环绕、着陆和巡视任务,分别由环绕器、着陆巡视器完成。中国科学院上海天文台(以下简称上海天文台)、中国科学院上海有机化学研究所(以下简称上海有机所)、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院上海技术物理所(以下简称上海技物所)、中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)等承担了部分攻关工作。

做天问一号的信标

相比月球探测,火星探测任务更像是“长跑”。火星距离地球的最远距离为4亿公里,是地月距离的1000倍,更远的距离对探测技术提出更高的要求。

自上世纪60年代以来,全球各国都陆续发射了不少火星探测器。截至目前,只有美国NASA的“好奇”号成功发射并着陆。

在火星探测过程中,甚长基线干涉测量技术(VLBI)发挥着重要作用。简单来说,VLBI就是把几个小望远镜联合起来,达到一架超大望远镜的观测效果,保证足够高的分辨率,满足地火转移段、火星捕获段、停泊段、离轨着落段、科学探测段等各个飞行段的测量和轨道计算等任务的需要。

中国科学院上海天文台研究员刘庆会介绍,VLBI对与视线垂直方向上的探测器的位置变化有很高灵敏度,特别是在地火转移段、近火制动段等测定轨难度较大的测控弧段的优势明显。但远距离也意味着信号传输时间更长,信号的衰减也愈发剧烈。“信号的衰减或导致时延,引发多米诺骨牌效应。”

他举例,VLBI时延测量误差1纳秒(0.3米),在3000千米的基线长度上,对数亿千米远的火星探测器的与视线垂直方向的单点测轨误差约为几十千米,远大于视线方向约5 米的测距误差。

VLBI时延测量精度的提高是火星探测器测定轨精度提高的关键。上海天文台迎难而上,承担了VLBI测轨分系统研发任务,组建了一支由百余位技术人员组成的试验队,并将火星探测VLBI测定轨定为今年的一号任务予以重点保障。

为了提高VLBI测定轨的精度,VLBI测轨分系统共新研发了数十台套软件和硬件,分别布置于全国4个测站和VLBI中心。中国科学院上海天文台研究员洪晓瑜表示,这些软件和硬件的研发,能够进一步提高观测装置的测量精度和可靠性、大气和电离层时延的改正精度,更好地完成火星探测器的VLBI测定轨任务。

作为天问一号的信标,VLBI测轨分系统的测角精度可以达到百分之几角秒,甚至更高,实时任务将持续到2021年。

截至天问一号发射前,VLBI测轨分系统先后完成了各测站星地对接实验、VLBI中心与各测站设备安装与调试、测站巡检等任务,具备了执行首次火星探测VLBI测定轨任务的能力。

设计一套能调控温度的“战衣”

航天器在太空的作业环境非常极端。航天器进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常热,背向太阳的表面则非常冷。如果表面温度超过合适的使用范围,航天器搭载的仪器设备容易损坏,或者直接停止工作,所以卫星的热控制非常必要。

为了保证仪器设备表面温度处于正常工作状态,研究人员常通过在航天器外表面使用不同的太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,以保证卫星在合适的使用温度内工作。有机热控涂层就像能调控温度的衣服穿在航天器和仪器的外表面。

热控制需要热控材料来完成,目前航天器上大多采用被动热控材料——热控涂层和热包覆材料,也就是人们经常看到的卫星的外观形态里涂着的各种不同的颜色的“外衣”。其中有一类涂层——有机热控涂层,就是由上海有机所研制和生产的。

自20世纪60年代以来,上海有机所有机热控涂层研制组为满足我国第一颗人造卫星“东方红一号”研制应运而生。几十年来,几代研制组科研人员克服了大量技术和装备上的困难,团结协作,刻苦攻关,研制出几十种不同用途的有机热控涂层。上海有机所的相关研究人员介绍,目前,黑色有机热控涂层系列、白色有机热控涂层系列和其它颜色有机热控涂层系列产品,已应用于嫦娥系列卫星等各类卫星和航天器上。

此次,中国科学院上海硅酸盐研究所也承担了耐高温多层隔热材料、导电型低吸辐比柔性薄膜二次表面镜、防静电低吸辐比柔性薄膜二次表面镜等关键材料的研制工作,并为火星用关键材料开展了空间环境适应性(真空—紫外辐照)考核试验,确保了关键材料在型号上的可靠应用。

为探测仪装上一双“慧眼”

进入火星轨道后,天问一号仍然面临温度难题。火星表面温差较大,火星表面成分探测仪需满足比较苛刻的存储温度和工作温度条件。上海技物所与上海光机所通力合作,负责火星表面成分探测仪等的研制工作。

“高能、高光束质量脉冲激光器是火星表面成分探测仪的关键组件。但此前国际上并没有类似激光器的在轨报道。” 上海光机所研究员侯霞告诉《中国科学报》,上海光机所历时3年刻苦攻关,研制出低温敏、高光束质量全固态脉冲激光器。该激光器是国际上输出能量最高、工作温度最宽的火星探测激光器。经各项测试,激光器的技术指标满足火星岩石成分探测需求。

上海技物所负责研制火星表面成分探测仪和火星矿物光谱分析仪两台有效载荷,分别在着陆巡视和火星环绕两个环节对火星表面元素与矿物成分开展科学探测,意在为天问一号打造一双矿物成分分析的“慧眼”。

上海技物所副所长舒嵘研究员介绍,两个有效载荷虽然原理不同,但科学目标一致,都是对火星表面矿物进行成分分析。后续,矿物光谱分析仪与表面成分探测仪还有望开展天地协同实验。

值得一提的是,火星矿物光谱分析仪突破了红外背景抑制、高效分光组件、器上组合定标等关键技术,集轻小型、低功耗、高性能于一身,以期实现探的更“精”、测的更“准”的科学探测目标。

上海技物所研究员何志平介绍说,通过对火星矿物的精密分析,可以初步了解火星的矿物资源分布,了解其演化过程,对火星的演化过程的研究将有助于预测地球演化进程。

接下来,在天问一号“集中精力”奔赴火星、释放着陆巡视器、火星车作业等过程中,中国科学院上海分院的相关研究人员将持续跟踪并提供技术支持和保障。

 
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