5月15日，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器成功著陸在距離地球億萬(wàn)公里外的火星烏托邦平原。此次火星探測(cè)是我國(guó)首次獨(dú)立開(kāi)展的行星星際探測(cè)任務(wù)，旨在通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的環(huán)繞、著陸和巡視。

作為位置和速度測(cè)量的重要手段，中國(guó)航天科工二院25所獨(dú)立研發(fā)的具備高精度測(cè)量能力的相控陣敏感器，持續(xù)為航天器提供高精度的測(cè)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(jìn)入艙著陸平臺(tái)的下方，作用范圍達(dá)十幾千米，可謂火星探測(cè)器的太空“千里眼”，和其他不同原理的測(cè)量敏感器一起，密切配合，“接力”引導(dǎo)航天器平安落地。相控陣敏感器在航天器進(jìn)入火星大氣后，距火星表面約 7km高度時(shí)開(kāi)始工作，持續(xù)提供相對(duì)于火星表面多個(gè)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(jìn)入火星大氣，時(shí)速高達(dá)每秒5.9公里，要在短短七分鐘的時(shí)間內(nèi)，讓航天器的速度降低到零，是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)難度最大、失敗概率最高的關(guān)鍵時(shí)刻。

相控陣敏感器總工程師孫武介紹，這是國(guó)內(nèi)首次將相控陣體制雷達(dá)應(yīng)用于地外天體著陸測(cè)量。與此前的載人航天工程任務(wù)不同，火星和地球之間距離漫長(zhǎng)，通信存在十幾分鐘的時(shí)延，在地球上無(wú)法控制著陸過(guò)程，必須讓著陸巡視器自主完成這‘黑色七分鐘’的旅程，對(duì)敏感器提出的要求極為苛刻。

“相比于國(guó)內(nèi)外已有的著陸測(cè)量雷達(dá)，相控陣體制的雷達(dá)天線由多個(gè)輻射單元組成，就像生物學(xué)中蜻蜓的復(fù)眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標(biāo)容量大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。”孫武詳細(xì)介紹了新體制敏感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

“25所研制的相控陣敏感器能在預(yù)設(shè)的9個(gè)方向上任意快速切換，通過(guò)軟件定義，在每個(gè)測(cè)量周期實(shí)時(shí)選取4個(gè)最優(yōu)方向，測(cè)量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態(tài)測(cè)量誤差，準(zhǔn)確地找到火星的水平面，確保著陸器的方向控制準(zhǔn)確無(wú)誤。”

抗干擾 高可靠

相控陣敏感器主任設(shè)計(jì)師劉佳透露，火星著陸巡視器在下降過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷多種工作環(huán)境。與之前落月任務(wù)相比，由于火星重力比月球大，著陸下降加速度會(huì)更快，需要利用火星大氣進(jìn)行降落傘減速。在高速下落過(guò)程中打開(kāi)降落傘，航天器會(huì)因減速?zèng)_擊發(fā)生劇烈擺動(dòng)，是影響著陸成敗的關(guān)鍵時(shí)刻。

“這一瞬間，在相控陣敏感器的測(cè)量方向上，距離會(huì)有很大的變化，同時(shí)部分測(cè)量信號(hào)會(huì)打到地平線以上，出現(xiàn)檢測(cè)不到目標(biāo)的情況。”劉佳說(shuō)，“對(duì)相控陣敏感器來(lái)說(shuō)，就像在快速蕩秋千，眼睛要看清地面一頁(yè)紙上寫的字。”

產(chǎn)品相控陣體制測(cè)量速度快、受干擾影響小的特點(diǎn)，能夠在擺動(dòng)過(guò)程中快速準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)，航天器可以通過(guò)軟件切換測(cè)量方向，選用可探測(cè)到地面的方向信號(hào)，為著陸成功提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。

此外，火星上時(shí)常會(huì)發(fā)生劇烈的塵暴天氣，在巡視著陸器靠近火星表面時(shí)，航天器發(fā)動(dòng)機(jī)噴射也會(huì)激起地面的粉塵和沙礫，對(duì)探測(cè)傳感器造成影響。

“微波信號(hào)體制應(yīng)對(duì)這種環(huán)境具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，”孫武說(shuō)，“在這個(gè)前提下，產(chǎn)品在信號(hào)頻段選擇上做了充分的對(duì)比和論證，采用多種算法進(jìn)行了綜合優(yōu)化，并在沙漠戈壁通過(guò)直升機(jī)氣流模擬試驗(yàn)了在沙塵暴天氣中的工作狀態(tài)，確保測(cè)量的可靠性。”

同時(shí)，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(dāng)于用 1套設(shè)備完成9套傳統(tǒng)設(shè)備的功能。”設(shè)計(jì)師賈學(xué)振介紹，“這意味著航天器可以攜帶更多科學(xué)載荷和燃料，完成更多的探測(cè)任務(wù)。”

謀創(chuàng)新 造精品

相控陣敏感器是“90”后設(shè)計(jì)師陳梟煜工作以來(lái)參加的第一個(gè)項(xiàng)目，臨近執(zhí)行任務(wù)的那段日子，他忙碌又興奮。“產(chǎn)品采用了全新的相控陣體制，每項(xiàng)試驗(yàn)它都表現(xiàn)得非常出色，我們相信它已經(jīng)做好了充分準(zhǔn)備迎接這次火星任務(wù)。”

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

在研制初期，相控陣敏感器團(tuán)隊(duì)就瞄準(zhǔn)國(guó)際領(lǐng)先的目標(biāo)，制定距離和速度的測(cè)量精度要求。這是一次新體制在新環(huán)境下的新應(yīng)用，孫武帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)“從零”開(kāi)始技術(shù)攻堅(jiān)。

2016年項(xiàng)目成立，相控陣敏感器團(tuán)隊(duì)當(dāng)即組建了總體、調(diào)度、組合、工藝、結(jié)構(gòu)、可靠性、物資、質(zhì)量等突擊分隊(duì)，聚焦關(guān)鍵技術(shù)突破，協(xié)同集智攻關(guān)，從縱向和橫向覆蓋產(chǎn)品的各個(gè)研制環(huán)節(jié)，按時(shí)、保質(zhì)、保量的高效完成了多輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制，通過(guò)了直升機(jī)掛飛試驗(yàn)、外場(chǎng)揚(yáng)塵試驗(yàn)、懸停點(diǎn)火試驗(yàn)等十余項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，并圓滿完成任務(wù)。

“立項(xiàng)時(shí)間晚，產(chǎn)品技術(shù)新。”這是火星探測(cè)工程總師對(duì)25所產(chǎn)品的評(píng)價(jià)。這支平均年齡僅為35歲的年輕團(tuán)隊(duì)，在短短幾年的時(shí)間內(nèi)打造出了高科技、硬質(zhì)量的“航天精品”，技術(shù)水平達(dá)到世界一流水平，相比于國(guó)外同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了體積更小、重量更輕、功能更全、精度更高的既定目標(biāo)，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(jīng)成為中國(guó)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(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，25所相控陣敏感器首次成功實(shí)現(xiàn)了地外天體著陸測(cè)量，性能穩(wěn)定、表現(xiàn)完美，標(biāo)志著25所向深空探測(cè)又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為25所在空間載荷領(lǐng)域提供了更廣闊的發(fā)展空間。(記者 宋雅娟)

關(guān)鍵詞： 千里眼 相控陣敏感器 天問(wèn)一號(hào) 火星探測(cè)器