火星征途：中国首次行星际飞行与火星环绕探测｜上海市科学技术奖

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：火星探测行星际飞行及环绕平台技术

完成单位：上海卫星工程研究所

完成人：朱新波 等

奖励等级：科技进步奖一等奖

从古到今，中华民族一直都有飞天的梦想。从嫦娥奔月、夸父逐日的神话故事，到明朝时期万户的飞天尝试，我们对星辰大海的追求从未停止。火星与地球十分相似，是了解地球前世今生、开发地外生存空间的首选目标。火星探测始于二十世纪六十年代，已实现了飞越、环绕、着陆、巡视等多种形式探测。但火星探测技术难度大、飞行过程复杂、风险高，国外至今共实施46次火星探测，成功或部分成功24次，成功率仅52.17%。

中国首次自主火星探测任务“天问一号”国际首次通过一次任务实现“环绕、着陆、巡视”三大目标，任务起点高、难度大、挑战多！其中，实现火星环绕是任务的关键环节，也是实现后两项目标的基础。在天问一号火星探测任务中，火星环绕器主要承担四项任务：完成地火转移飞行和轨道修正，实现火星捕获；完成着陆巡视器预选落区的预探测、建立分离条件，实现与着陆巡视器可靠分离；建立与着陆巡视器通信链路，实现对火星车的中继通信支持；携带载荷产品，实现环火遥感科学探测任务。

为了实现这些任务，火星环绕器面临六项技术难点：器地距离远、通信时延大；太阳辐照强度变化范围大；制动捕获机会唯一；器器分离升轨难度高；通信链路中断时间长；缺乏一手火星环境数据。为了解决这些技术难点，火星环绕器团队开展了为期六年的攻关，设计了行星际飞行及火星环绕平台技术方案，攻克了多项行星际飞行技术难题，完成了环绕器系统设计和产品研制，成功实现了我国首次火星探测任务“奔火”、“绕火”的工程目标。

研制团队

01 “攻坚克难”，打造我国首个

大承载高精度行星际飞行平台

使用长征五号运载火箭发射“天问一号”探测器，是我国首次实施第二宇宙速度发射。运载火箭力学环境恶劣，冲击达到18000g，是常规卫星的2倍。火星环绕器需要携带多样设备、完成多重任务，其重量资源紧张，推进剂占自重50%。行星际飞行轨道动力学模型复杂，受多个天体的引力场摄动影响；在任务过程中，还需实现对太阳、对火星、对地球等多目标、多指向的协同控制。

针对上述难题，火星环绕器团队研制了大承载高精度行星际飞行平台，突破低冲击下探式高载质比结构构型、高精度行星际轨道实时递推及漂移控制、行星际转移轨道控制与迭代寻优、多任务多目标指向自主协同等关键技术，国内首次实现行星际转移与火星环绕，载荷干重比达到55.68%，达到国际一流水平。

环火飞行的火星环绕器

02 “地火生命线”，实现四亿公里

对地高灵敏度多码率通信

从地球发射到环绕火星，火星环绕器从地球出发，最远达到了4亿公里远。在如此远的距离下，火星环绕器与地球通过无线电通信连接起来，这条无形的纽带如同“地火生命线”，牵绊着地球与火星。巨大的距离变化，意味着极大的信道衰减动态变化范围，在最远的火星处衰减可达281dB，比月球探测对应的信号衰减还要多60dB。在极远的距离进行信号捕获，需要极高的信号捕获灵敏度，相比近地、月球提高了30dBm以上，需要达到-156dBm。为了适应距离变化带来的信号衰减问题，火星环绕器需要设置多档位通信码率，而码率的切换带来了器上校时脉冲不稳定的难题。

针对上述难题，火星环绕器团队提出了行星际高灵敏度多码率一体化信息处理技术，突破了多码率自适应信息处理、深空时统测定与校准、深空弱链路遥控可靠接收等关键技术，国内首次建立了行星际飞行星地协同控制时间基准、首次实现-156dBm弱信号捕获，实现了4亿公里下的可靠通信与1Mbps对地球的数据传输，完成科学及工程数据的精准点播与多码率可靠下传，达到国际领先水平。

由火星环绕器拍摄的数据制作而成的火星全球影像图

03 “独立自主”，实现超远距离

强动态宽域交变环境自适应管理

从地球出发到环绕火星，器日距离从1个AU增加至1.5AU，太阳光照强度从地球处的1414W/m2逐渐减小至火星处的493W/m2，环绕火星过程中将于遭遇火星阴影。这导致了环绕平台上通过太阳能发电的能源系统面临剧烈的外部条件变化、环绕平台自身也将经历-180℃至+100℃的剧烈温度环境变化。由于火星距离地球远，最远时火星与地球之间的通信延时将达到22分钟，地面无法知晓火星环绕器的实时状态且无法进行实时的支援。在环火飞行期间，火星环绕器将经历日凌考验，期间与地面失联长达30余天。

针对上述恶劣环境，火星环绕器团队提出了行星际超远距离宽域交变环境自适应技术，突破了变光强能源存储及长期管理、宽域交变温度环境自适应控制、超远距离下自主管理软件架构构建与自主管理等关键技术，国内首次具备了行星际高低温环境飞行能力，实现了地火空间长期安全巡航与环火轨道35天长日凌的无控稳定运行，达到国际一流水平。

深空中飞行的火星环绕器

04 “安全可靠”，攻克行星引力捕获

与轨道安全飞行控制

在任务中，火星环绕器将实施火星制动捕获、俯冲拉升式着陆巡视器投递等关键动作。火星制动捕获是实现“天问一号”首个工程目标“绕”火的最为关闭键的环节。火星制动捕获机会唯一，实施捕获动作的时间窗口极窄，可靠性要求100%。该过程约束众多，实施时离约1.93亿公里，器地通信时延单向10.7分钟；过程存在火星遮挡，对地通信中断时长约41min，阴影时间长达78min。在着陆火星过程中，火星环绕器需实施姿态调整、轨道机动，将着陆巡视器送入落火轨道并进行中继通信支持，环环相扣、不容有失。

针对上述难题，火星环绕器团队提出了行星引力捕获与轨道安全飞行控制技术，突破了异构计算机交互保障关键技术，实现了单点任务的轨控/通信/能源多约束安全保障，扩展火星制动捕获窗口至5h、提升能源应急生存能力4h，在保证环绕平台自身可靠性的同时、有效提升了地面对环绕器平台的支持几率，达到了国际一流水平。

成功实施火星捕获制动

火星探测行星际飞行及环绕平台技术首次应用于“天问一号”火星探测任务，为我国行星探测领域航天重大工程“天问一号”任务的圆满成功做出了重要贡献。利用该技术，火星环绕器圆满完成了各项工程任务，顺利通过了在轨考核，首次实现了行星际飞行、地外行星捕获、四亿公里距离的测控通信，并首次获取第一手的火星探测数据，实现了我国航天器由地月系向行星际的跨越式发展，为我国行星探测工程积累了宝贵的经验。瞄准未来，研究团队将在火星探测行星际飞行及环绕平台技术的基础上继续深挖，将成果应用于火星取样返回、木星系探测等行星探测工程后续任务中，为行星探测工程后续任务的实施打下坚实的技术基础。