近日，一項關于火星地下液態水的重大發現再次引發全球關注：科學家通過雷達探測技術，首次在火星表面以下5.4至8公里處發現大量液態水存在。這一突破不僅顛覆了人類對火星的認知，也為未來載人登陸和資源利用提供了關鍵線索。而這項探索背后，離不開一項由中國自主研發的核心技術——“火星探測行星際飛行及環繞平臺技術”。這項技術曾助力“天問一號”完成人類首次一次性實現“環繞、著陸、巡視”的壯舉，并于2022年榮獲上海市科技進步獎一等獎，成為我國深空探測的里程碑。

從“奔火”到“繞火”的技術挑戰

火星與地球十分相似，是了解地球前世今生、開發地外生存空間的首選目標。但是，火星與地球之間的平均距離約2.25億公里，最遠可達4億公里。在“天問一號”之前，國內外實施了近50次火星探測，成功率剛過半。2020年7月，“天問一號”探測器從地球出發，歷經202天飛行抵達火星軌道。在這段堪稱“星際馬拉松”的旅程中，探測器克服了六項關鍵技術難題：器地通信時延長達20分鐘以上、太陽輻射強度變化劇烈、火星捕獲機會僅有一次、極端低溫環境適應、通信中斷時間長，以及缺乏一手火星環境數據。其中，火星捕獲制動被公認為任務中風險最高、最關鍵的環節。

當探測器接近火星時，必須通過發動機點火減速，使其被火星引力捕獲。這一步被形象地稱為“踩剎車”——時機誤差1秒、推力偏差1毫米，都可能導致探測器撞向火星或飛離軌道，因此，火星制動捕獲機會只能是“唯一”，實施捕獲動作的時間窗口極窄，可靠性要求100%。為了克服火星引力捕獲時的巨大風險，團隊設計了一種基于“開機時長”和“速度增量”的雙關機策略，以精確控制發動機點火，保證探測器能夠被火星引力成功捕獲并進入環火軌道。2021年2月10日，“天問一號”環繞器成功完成火星捕獲，成為我國首顆人造火星衛星。

4億公里通信的極限挑戰

信號衰減是深空通信的“頭號敵人”。當探測器距離地球最遠時，信號強度比月球探測任務弱百萬倍。為解決這一難題，團隊創新研發了超高靈敏度數字化應答機和2.5米大口徑可驅動天線，使環繞器具備“聽聲辨位”的能力，能在嘈雜噪聲中捕捉微弱信號。同時，通過多碼率自適應信息處理技術，環繞器實現了1Mbps的數據傳輸速率，確保科學數據和工程指令的可靠傳遞。這一技術突破，讓“天問一號”在4億公里外的火星上空穩定運行，并為祝融號火星車提供中繼通信支持。

極端環境，是深空探測的另一大挑戰。火星探測器面臨極端溫差（-180℃至+100℃）、長期陰影區運行以及長達30天的“日凌”通信中斷等挑戰。為提升自主運行能力，團隊又研制了小型化綜合電子系統，集成遙測遙控、熱控管理、配電控制等功能，并設計多模式信息自主處理方法。在“日凌”期間，環繞器能獨立完成任務管理，自主調整姿態和能源分配，保障系統安全。這一“自主大腦”讓探測器在無地面干預的情況下穩定運行超30天，創下我國深空探測器自主管理的新紀錄。

從“繞火”到深空探測的基石

在“天問一號”之前，我國沒有一手的火星探測數據，只能依靠國外。“天問一號”任務的成功實施，為我國科研工作者提供了大量科學數據，產出大量科研成果。為了這一任務，朱新波和團隊付出了10年的心血：2010年開啟背景任務論證，其間經歷多輪次方案迭代；2014年正式啟動方案攻關，他帶領團隊開展火星環繞器的研制工作，方案、初樣、正樣三個研制階段持續了6年時間。

2020年7月，“天問一號”探測器在海南文昌衛星發射中心成功發射，標志著我國航天器實現了從地月系向行星際的跨越式發展。此次獲獎的“行星際飛行及環繞平臺技術”不僅攻克了火星探測的高精度軌道控制、環境自適應能力、多任務協同管理等關鍵難題，還為后續任務奠定了基礎。當前，“天問一號”環繞器仍在火星軌道開展科學探測，已獲取大量火星大氣、地質和磁場數據。天問二號探測器也已順利轉入發射區，計劃5月底擇機發射，正如朱新波所說：“深空探測是系統工程，需要集智攻關。”

本文獲得上海市2023年度“科技創新行動計劃”科普專項項目（項目編號：23DZ2305100）的支持。

原標題：《火星探測再添新突破！4億公里背后的“中國智慧”》

欄目編輯：郜陽 題圖來源：新華社

來源：作者：新民晚報 馬丹