首次火星探測任務的科技與管理創新

耿言 張榮橋 赫榮偉 周繼時

摘 要：我國首次火星探測任務，是迄今為止我國在深空探測領域技術跨度最大、創新性最強的一項航天系統工程。本文概要介紹了該任務工程目標和飛行過程，凝練了工程的特點、難點以及取得的創新成就，總結了工程組織實施和項目管理的一些創新做法和經驗，對工程實施整體情況進行全景式描述。

關鍵詞：首次火星探測任務;工程進展;創新成就;組織管理

中圖分類號：V57 文獻標識碼：A 文章編號：2097-0145（2022）01-0003-06 doi：10.11847/fj.41.1.3

Abstract：China’s first Mars exploration mission is the most innovative aerospace system engineering program up to now with the largest technological spanning in the field of deep space exploration. The mission objectives and flight process are briefly introduced in this paper， where the characteristics， difficulties and innovation achievements of the program are summarized. Meanwhile， some innovative practices and experiences of engineering organization and project management are given and the overall process of mission is described from a comprehensive perspective.

Key words：first Mars exploration mission; mission process; innovation achievements; organization and management

1 引言

我國首次火星探測任務（“天問一號”任務）圓滿實現火星環繞、著陸和巡視探測，通過環繞開展火星全球性、綜合性探測，通過巡視開展火星表面重點地區高精度、高分辨的精細探測。該任務科學目標包括研究火星形貌與地質構造特征、表面土壤與水冰分布、表面物質組成、大氣電離層及表面氣候環境特征、物理場與內部結構[1，2]。“天問一號”任務起點高、技術跨越大，任務環境新、不確定性大，關鍵環節多、固有風險大[3，4]，環境模擬難、試驗難度大，飛行距離遠、資源約束大，研制周期緊、進度風險大，通過工程實施，構建了我國獨立自主的行星探測基礎工程體系，包括設計、制造、試驗、飛行任務實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍。該任務在國際上首次通過一次任務實現火星環繞、著陸、巡視的三步跨越，在行星探測領域一舉進入世界先進行列[5～7]，是迄今為止我國深空探測領域技術跨度最大、創新性最強的一項航天系統工程。

2 工程建設概況

2.1 系統組成

“天問一號”任務由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控、地面應用五大系統組成。工程總體負責工程組織實施、總體設計和項目管理，包括：確定工程總體指標，并分解給工程各系統;開展系統間技術接口設計和協調，組織開展跨系統大型試驗、聯調和演練，確保各系統技術和計劃接口協調匹配;開展工程頂層分析和研究，以工程總體性能、指標、可靠性最優為目標，制定和優化工程總體方案;組織開展工程產品保證、節點控制、飛行運控、科學研究等工作。

探測器系統負責研制火星探測器（圖1），包括環繞器和著陸巡視器，著陸巡視器（圖2）由進入艙和火星車組成，實現火星環繞和著陸巡視，開展火星科學探測。運載火箭系統負責研制一枚“長征五號”運載火箭，并將探測器發射至地火轉移軌道。發射場系統負責在文昌航天發射場實施發射（圖3）。測控系統負責以現有測控網站為基礎，在新疆喀什深空站增建3副35m口徑天線與現有天線組陣（圖4），同時提升甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）測軌分系統的時延精度，建設任務飛行控制系統，完成運載火箭和探測器的飛行控制。地面應用系統負責制定有效載荷在軌科學探測計劃;在天津武清建設70m口徑天線（圖5）并與已有數據接收站組陣，實現科學探測數據高效接收;建設火星科學數據處理、管理和發布系統，形成標準數據產品，并分發給科學家團隊開展研究。

2.2 實施與飛行過程

“天問一號”任務于2014年9月啟動先期攻關，2016年1月得到國家批準立項。工程以探測器研制為主線，經歷方案設計、初樣研制、正樣研制三個階段[8]，于2020年4月按照既定研制流程完成全部產品研制，進入文昌航天發射場開展發射準備。

2020年7月23日，長征五號運載火箭零窗口發射，將探測器精確送入地火轉移軌道。在地面測控支持下，探測器經過202天飛行，行程4.75億km，于2021年2月10日與火星交會，成功實施捕獲制動，準確進入環繞火星軌道，再經數次軌道調整，進入火星停泊軌道，對預選著陸區進行詳查，為火星著陸做好準備（圖6）。

2021年5月15日，探測器降軌并為著陸巡視器建立進入姿態，著陸巡視器與環繞器分離。環繞器隨即升軌，返回停泊軌道。著陸巡視器繼續彈道飛行，在距離火星表面125km處進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、發動機反推、著陸緩沖四級減速，7時18分軟著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區（109.9°E，25.1°N）。火星車隨即展開設備，建立通信，進行駛離準備。

2021年5月22日，“祝融號”火星車駛上火星表面，開始巡視探測，并傳回著陸平臺照片，首次留下“中國印跡”（圖7）。

2021年6月11日，國家航天局發布著陸火星首批科學影像數據，宣布中國首次火星探測任務實現火星環繞、著陸、巡視三大目標，工程取得圓滿成功。

3 工程科技創新與成就

首次火星探測任務起點高、跨越大、系統復雜，實現了我國深空探測能力從地月系到行星際的跨越[9]，總體方案國際首創，綜合技術水平國際先進，部分技術國際領先，為我國航天事業發展建立了又一座里程碑。

3.1 國際上首次通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視三大目標

在國際上首次通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視。工程的成功實施，解決了火星環繞、著陸、巡視、探測、中繼等任務耦合程度深、制約因素繁、單點環節多的難題，帶動了我國多目標復雜航天任務總體設計能力和水平的巨大跨越，為后續多目標行星探測任務設計創立新范式。同時，又催生了大量新思路、新方法、新技術、新材料、新產品、新算法、新模型等原始創新，特別是多項新技術在國際上首次應用于火星探測。工程多項技術指標達到國際先進水平，部分技術國際領先。

3.2 首次實現地球逃逸軌道發射

提出固定射向、固定滑行時間的多彈道奔火發射方案，解決了連續14天、每天3條彈道、每條彈道覆蓋10min窗口發射帶來的飛行諸元臨射切換、測控布船、航落區安全管控等難題，并突破了雙曲線彈道制導控制、地球逃逸軌道C3關機控制等關鍵技術，保證了火星探測每26個月一次機會中可靠發射，精準入軌，成功實現我國首次第二宇宙速度火箭發射。

3.3 首次實現地外行星軟著陸

國際上首次采用基于可展開配平翼變氣動外形的“彈道-升力式”氣動減速方案，以國外同類任務十分之一的質量代價實現攻角精確控制。突破了EDL系統設計、短鈍體氣動外形設計、高精度氣動力熱預測、EDL全自主導航控制、復雜流場下多體可靠分離等關鍵技術，并攻克了輕質防熱材料、大型超音速降落傘、中室壓雙組元變推力發動機等產品研制難關。成功實現我國探測器首次安全軟著陸火星表面（圖8），著陸精度為千米量級（3.1km），達到國際先進水平，部分技術國際領先。

3.4 首次實現地外行星表面巡視

國際上首次采用基于主動懸架的移動技術，實現火星車蟹行、尺蠖運動等多種運動形態，并突破火面自主導航和智能管理等關鍵技術，解決了在復雜地貌下高效移動與沉陷脫困的難題。國際上首次采用基于光熱直接轉換利用的熱控技術，轉換效率達到80%，并突破了火星表面太陽光譜匹配發電、納米氣凝膠隔熱等關鍵技術，解決了火星弱光照、極低溫、無核源情況下能源平衡和熱控保障難題。成功實現中國的首個火星車在火星表面巡視（圖9），百日千米的高效探測能力達到國際先進水平，部分技術國際領先。

3.5 首次實現4億km遠距離測控通信

突破了大動態/超低信噪比的捕獲跟蹤與解調、天線異地組陣、行星際高精度測定軌等關鍵技術，并攻克了載波捕獲門限優于-157dBm星載X頻段應答機、亞洲最大70m口徑全可動天線等研制難關，實現火星環繞探測定軌精度優于1km、4億km數傳碼速率達到2Mbit/s的測控通信能力。國際上首次采用UHF/X雙頻段全自主中繼通信技術，單日中繼數傳能力達到500Mbit。我國獨立自主的深空測控通信能力達到國際先進水平，部分技術國際領先（圖10）。

4 工程管理創新

“天問一號”任務是我國首個行星探測任務，本文在以往航天重大專項工程組織管理模式的基礎上[10，11]，實事求是地提出了一些新管理理念，以適應這一任務的特殊性。

4.1 技術管理強調不憚更改、不斷完善

“天問一號”任務起點高、跨越大、環境新，研制中不斷遇到新問題，需要新思路。在堅持“技術狀態清晰”的原則下，提出“火箭不點火，設計完善不停止”的新理念，打破“謹防小改出大錯”的思維定勢，鼓勵研制隊伍不斷探索、反思，對在研產品和系統提出完善和優化建議。對于有利于提高工程可靠性、降低風險的新建議，按照技術狀態更改“五條原則”（即論證充分、各方認可、試驗驗證、審批完備、落實到位）穩妥實施。發射后，針對首次行星際飛行中獲得的新認知，提出將“飛行階段作為工程的第四個研制階段”的新理念，要求飛控隊伍敢于把設計余量拿出來，摸清新系統的底線，優化飛控策略，將火星車運行模式由原設計的“三日一個行駛、探測、數傳周期”改為“一日一周期”，在保證安全穩定運行的前提下，大大提高了探測效率，豐富了獲取的科學探測數據。

4.2 質量管理強調完整供應鏈全周期質量保證

針對近年來航天產品質量問題多發在外協環節的現實，在管理實踐中深入推進全供應鏈產品保證。按照“橫到邊、縱到底”的原則，按系統、分系統、單機、部組件、工藝、試驗等產品配套層級，全面理清協作配套單位，逐級建立產品保證組織、逐級形成產品保證要求、逐級制定產品保證計劃，將產品保證要求逐級傳遞并逐層具體化到底，并由工程總體組織專家組，開展產品保證工作檢查，確保產品的特殊應用環境得到各級研制隊伍的充分理解，特殊要求得到各級研制隊伍的充分關注和落實。提出“驗收合格不等于可靠，產品交付不等于完事”的新理念，將單機產品保證工作延伸到系統集成階段，組織各層級系統和產品上下游研制團隊“交底”，促進“使用方理解每件產品特性，承制方反思使用環境適應性”，共同確認產品使用狀態正確，提高系統可靠性。

4.3 計劃管理強調進度與質量并重

航天任務一直秉承進度服從質量的理念。受天體運行規律的約束，火星探測每隔26個月才有一次發射機會，不同發射機會對應的火箭運載能力、飛行軌道、測控實施等技術要求不同。一旦錯過窗口再次組織發射，勢必帶來大量的技術狀態更改，給工程質量和可靠性引入更多風險。為此，自工程啟動即在全系統樹立“進度即質量”的新理念，以抓質量的堅決，堅持“技術流程優化、資源保障先行、留有一定余地”的原則周密制定計劃，堅持“早策劃、早部署，早識別風險、早采取措施”的原則，嚴格計劃調度，嚴控計劃調整。針對出現的進度短線，堅持“以技術見底為前提，以確保質量為基礎”，由指揮系統和設計師系統協同推進技術、質量問題與進度短線協同解決，確保實現“有質量”的進度。

4.4 科學研究借鑒工程管理方法拉動研究能力提升

我國行星科學研究起步晚，多數科學家對航天工程十分陌生，多數載荷工程師缺乏行星科學研究背景，對產出高水平成果十分不利。對此，一是從工程立項開始即組建科學目標先期研究團隊，引導一批科學家開展相關領域前沿技術的跟蹤調研、學習探索和方法的先期研究，形成隊伍基礎。二是有計劃地推動科學家和工程師交流和研討，引導和鼓勵科學家“早著手、早準備、早介入”，同時推動載荷工程師建立“科學載荷以數據而非產品交付為目標”的理念，在研制中充分考慮科學應用需求。三是確立工程系統統一處理科學數據并對數據質量負責的原則，夯實科學研究的物質（數據）基礎，減輕科學家處理數據的“技術”負擔。四是建立科學研究指導咨詢組織，為科學家申請數據、開展研究提供支持和幫助。五是建立公開、公平、公正的數據發布制度和協作競爭的研究機制，鼓勵科學家自由申請，對科學家平等發布數據（圖11），做出有特色的原創性成果。

5 結論與展望

“天問一號”任務首次在火星上留下中國印跡，為我國深空探測發展突破了一系列新技術，為工程管理豐富了新經驗，為工程的研制實施建立了新范式，形成了我國獨立自主開展行星探測的核心能力。目前，我國行星探測重大專項實施方案已經得到國家批準，在2030年前后，還將實施小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星際穿越探測等任務，將進一步打造我國開展太陽系天體探測的工程能力，培育和提升我國提出和解決重大科學問題的研究能力。“天問一號”任務的成功實施，為后續工程持續發展奠定了堅實的技術、管理、設施、人才和科學研究基礎。參 考 文 獻：

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