揭秘火星着陸“生死九分鐘”的保命手段

5月15日，天問一號探測器成功着陸火星烏托邦平原。任務中，中國航天科工二院25所自主研發的相控陣敏感器起到“千里眼”的關鍵作用，這是國內首次將相控陣體制雷達應用於地外天體着陸測量，被稱爲火星着陸末段“生死九分鐘”的保命手段。

據相控陣敏感器總工程師孫武介紹，相控陣敏感器安裝在天問一號着陸巡視器進入艙着陸平臺的下方，作用範圍達十幾公里，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密切配合，“接力”引導探測器平安落地。

“相控陣敏感器在天問一號進入火星大氣後，距火星表面約7公里高度時開始工作，持續提供相對於火星表面多個方向的距離、速度數據，用於探測器的減速、懸停和軟着陸控制，直至着陸巡視器降落至火星表面約5米處。”孫武說。

天問一號探測器從約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9分鐘的時間內，讓探測器的速度降至零，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。

孫武告訴記者，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，通信存在較長時延，在地球上無法控制着陸過程，必須讓天問一號着陸巡視器自主完成這“生死九分鐘”的旅程，對敏感器的要求極爲苛刻。

據他介紹，相比於國內外已有的着陸測量雷達，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“複眼”，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。

相控陣敏感器主任設計師劉佳透露，天問一號着陸巡視器在下降過程中，會經歷多種工作環境。與之前落月任務相比，由於火星重力比月球大，着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，探測器會因減速衝擊發生劇烈擺動，是影響着陸成敗的關鍵時刻。

“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，就像在快速盪鞦韆，眼睛要看清地面一頁紙上寫的字。”

火星上時常會發生劇烈的塵暴天氣，在天問一號着陸巡視器靠近火星表面時，其發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。

孫武說，相控陣敏感器在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，採用多種算法進行了綜合優化，並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，確保測量的可靠性。

相控陣敏感器設計師賈學振說，相控陣敏感器採用了瓦片式收發模塊高密度集成，“相當於用1套設備完成9套傳統設備的功能”。這意味着，探測器可以攜帶更多科學載荷和燃料，完成更多的探測任務。

相控陣敏感器是90後設計師陳梟煜工作以來參加的第一個項目，臨近執行任務的那段日子，他忙碌又興奮。

“我們採用了全新的相控陣體制，每項試驗它都表現得非常出色，如今又在着陸任務中表現給力，讓人欣慰！”陳梟煜說。

在研製初期，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，協同集智攻關，從縱向和橫向覆蓋產品的各個研製環節，通過了直升機掛飛試驗、外場揚塵試驗、懸停點火試驗等10餘項試驗的驗證。

相控陣敏感器研製團隊平均年齡35歲，這支年輕團隊在短短几年的時間內打造出了高科技、硬質量的“航天精品”，相比於國外同類產品，實現了體積更小、重量更輕、功能更全、精度更高的既定目標。

“科技創新這條路，一定會有坎坷，但必須要堅持走。”孫武說。