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天問一號成功著陸不簡單  問天之路背後有78台發動機近5億公里295天全程護航

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天問一號成功著陸不簡單  問天之路背後有78台發動機近5億公里295天全程護航
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天問一號成功著陸不簡單  問天之路背後有78台發動機近5億公里295天全程護航

2021年05月15日 15:36 最後更新:15:41

今日(5月15日)7時18分,中國首次火星探測任務天問一號探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸,在火星上首次留下中國印記,成為國家航天事業發展的重要里程碑。之後,祝融號火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢駛離著陸平台並開展巡視探測。

內地傳媒採訪了中國航天科技集團六院,詳細深入介紹他們交付的78台各型發動機,如何推舉長征五號遙四運載火箭,助力「天問一號」探測器成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區,整個過程相當不容易,風險、難度都非常之高。

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「天問一號」模擬圖。

「天問一號」模擬圖。

天問一號探測器成功開始繞火星飛行。

天問一號探測器成功開始繞火星飛行。

由六院研製生產的3000N軌控發動機就是肩負著近火制動任務的關鍵。

由六院研製生產的3000N軌控發動機就是肩負著近火制動任務的關鍵。

著陸方式和月球真空環境下完全不同。

著陸方式和月球真空環境下完全不同。

要根據火星探測任務全新設計製造發動機。

要根據火星探測任務全新設計製造發動機。

團隊為推進分系統開展了發動機故障自主切換冗余設計、配置了制導導航和控制系統等保障。

團隊為推進分系統開展了發動機故障自主切換冗余設計、配置了制導導航和控制系統等保障。

「天問一號」模擬圖。

「天問一號」模擬圖。

2020年7月23日,在文昌航天發射場由長征五號遙四運載火箭發射升空,成功進入預定軌道,邁出中國自主開展行星探測的第一步,經歷四次軌道中途修正,按計劃實施火星捕獲,順利進行繞火飛行,傳回首幅火星圖像,成功進入火星停泊軌道……經過漫長的飛行與發動機的數次點火,天問一號探測器至今已在浩瀚星空中飛行295天。

「天問一號」採用的是由液體火箭發動機提供反推力的方式來實施最後的減速,此方法已在嫦娥三、四、五號探測器落月過程中連續三次成功實施,火星著陸巡視器7500N變推力發動機正是落月用變推力發動機的2.0版——為了滿足火星探測器安裝結構要求和減重需求,並提升發動機性能,研製團隊首次在我國開展深空探測的航天器上將推進分系統發動機燃燒室從以往的低室壓方案改進為中室壓方案,從而保證了相同推力情況下,發動機體積更小、性能更高。加上不斷創新和優化生產工藝,有效實現了推進分系統的輕質化需求。

應對高風險 成功實施繞火飛行

要想成功飛向火星,搭載火星探測器的運載火箭必須達到第二宇宙速度,方能助力探測器脫離地球引力,踏上神秘的探火之旅。

在長征五號遙四運載火箭上,配置了由航天科技集團六院研制生產的新一代綠色無污染的8台120噸級液氧煤油發動機、2台50噸級氫氧發動機、2台9噸級膨脹循環發動機及18台作為輔助動力的姿控發動機。這30台四型發動機,將我國運載火箭的近地軌道運載能力,從9噸提升至25噸,從而實現火箭的一飛沖天,為天問一號探測器向著火星的漫漫星途提供強勁可靠的動力保障。

天問一號探測器成功開始繞火星飛行。

天問一號探測器成功開始繞火星飛行。

在經歷近7個月的奔火旅程後,天問一號探測器成功開始繞火星飛行,從它發回的飛行視頻中,火星大氣、火星表面的環形地貌清晰可見。

繞火星飛行,是我國第一次火星探測三步走任務「繞、著、巡」中的第一步,也是整個火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一。

超過4.75億公里的飛行距離里,天問一號始終以太陽為中心飛行,力保在探測器到達火星軌道時,火星也剛好達到,從而實現被火星捕獲,成為圍繞火星飛行的一顆衛星。

只有實現這個前提才能完成後續探測器進入到著陸前的停泊軌道、實施著陸和開展火星表面工作等一系列關鍵動作。這一過程,也可以理解為一輛行駛在高速公路上的汽車即將尋找一個準確的時機進入匝道,這要求對它當前位置作出精準的測量,並保證能夠穩、准、狠地踩下剎車。

由六院研製生產的3000N軌控發動機就是肩負著近火制動任務的關鍵。

由六院研製生產的3000N軌控發動機就是肩負著近火制動任務的關鍵。

這是一個一次性不可逆的過程,如果一旦發動機未能點火,或是點火姿態出現問題,將會導致整個任務的失敗。

由六院研製生產的3000N軌控發動機就是肩負著近火制動任務的關鍵。要確保在15分鐘左右的時間里,把探測器與火星的相對速度從每秒5.1公里降低到每秒4.5公里,這要求發動機不僅要快速點火啓動,還要保證在額定點長時間連續穩定工作。

在探火之旅的整個過程中,六院為我國深空探測任務專門研制的3000N軌控發動機承擔著三項任務,一是地球轉移到火星過程中的姿態修正,二是在接近火星時的「剎車制動」,三是在火星附近的軌道調整。

該型發動機從2010年立項到2016年定型,經歷了多項考核,充分驗證了各項關鍵技術,具有高比衝、多次起動、長壽命、環境適應性良好等優點。

突破高難度 順利實現安全著陸

相較之前的探月任務有所不同,火星表面存在以二氧化碳為主要成分的稀薄大氣,會在發動機下降過程中帶來摩擦生熱等問題。因此探測器著陸方式也從之前月球真空環境下的變推力發動機反推著陸,改變為降落傘和變推力發動機共同作用。

著陸方式和月球真空環境下完全不同。

著陸方式和月球真空環境下完全不同。

六院研制團隊還對變推力發動機表面的塗層材料做了改進,以更好地適應100m/s的火星大氣來流對發動機塗層的衝刷等影響。用綠色、先進、可靠的液體動力技術,護送祝融號火星車安全踏上火星地表。

在天問一號探測器上,六院研制交付了著陸巡視器和環繞器的推進分系統,共計48台大大小小的發動機。它們分別為著陸器著陸過程懸停、避障及緩速下降過程提供了可靠動力,為環繞器系統提供軌道轉移、制動捕獲、軌道調整以及姿態控制所需的精准動力。

當進入合適的著陸時機,天問一號在3000N發動機作用下,下降到距離火星100km的高度,實現環繞器和著陸器分離。

為使著陸巡視器降低運行速度達到著陸要求,作為著陸巡視器主發動機的7500N變推力發動機接續發揮關鍵作用,為著陸巡視器動力減速、懸停避障和緩速下降等軟著陸任務提供軌控推力。

要根據火星探測任務全新設計製造發動機。

要根據火星探測任務全新設計製造發動機。

 該型發動機是六院研制團隊在借鑒探月任務中7500N變推力發動機工程經驗基礎上,根據火星探測任務全新設計製造的發動機。並且相較之前探月任務中同樣推力的7500N發動機,為了滿足火星探測器安裝結構要求和減重需求,並提升發動機性能,研制團隊首次在我國開展深空探測的航天器上將推進分系統發動機燃燒室從以往的低室壓方案改進為中室壓方案,從而保證了相同推力情況下,發動機體積更小、性能更高。

製造過程中,改進型7500N變推力發動機與以往7500N發動機的性能和推力一樣,但重量和體積只有以前發動機的三分之一,結構也更加優化、緊湊。發動機的對接法蘭框還首次採用3D打印技術,「一次打印成型」避免大餘量去除原實心棒材或鍛件引起的變形,也保證了發動機與總體對接的質量穩定性。

與此同時,環繞器在3000N發動機作用下,高度開始抬升,回到環火軌道,對火星全球環繞探測,持續為火星表面探測和地球的通信擔當中繼衛星。

在此過程中,兩器推進分系統中的小姿控發動機,也起到了不可替代的作用,與上述兩型發動機一起,成就了探測器環火和著陸時精准的身姿。

實施新技術 圓滿完成巡火任務

時延,是人類進行深空探索面臨的共同難題。與嫦娥三號探測器類似,「天問一號」在降落過程中有降速、懸停、緩速下降等動作,對發動機實時響應能力要求很高。但此前嫦娥探月時,時延只有一兩秒,感覺並不明顯,大多數時候地面仍可以直接控制探測器的動作。

然而當天問一號到達火星時,探測器狀態信號需要在宇宙空間里跑30分鐘左右才能到達地球,地面上的操控人員即使能實時作出判斷回復,到達探測器時又已經過去了30分鐘,早就錯過了合適的動作時機。

因此,在推進分系統的前期設計中,六院研制團隊使用了自主管理系統,讓探測器自己判斷突發情況自己採取行動化解,實現當判斷動作時機到來時,天問一號能夠自動執行任務。

團隊為推進分系統開展了發動機故障自主切換冗余設計、配置了制導導航和控制系統等保障。

團隊為推進分系統開展了發動機故障自主切換冗余設計、配置了制導導航和控制系統等保障。

 按照計劃,近火捕獲開始15分鐘後發動機點火就會結束,但因為飛行的軌道設計,發動機點火開始後沒多久,天問一號就飛到了火星背面的「星掩區」,火星的遮擋完全中斷了探測器和地球之間的通信。為實現自主管理,確保任務順利完成,六院研制團隊開展頭腦風暴,分別為環繞器和著陸巡視器設想了10余種自主管理方案和故障預案,比如發動機貯箱欠壓、超壓等。為推進分系統開展了發動機故障自主切換冗余設計、配置了制導導航和控制系統等保障。

除此之外,推進劑加注歷來是航天器在發射場工作的重中之重。火星探測器加注是金屬膜片貯箱和表面張力貯箱在一次任務中同時加注,也是兩個疊加的航天器一次性實施加註,因貯箱結構不同,加注方案差異很大,加注量精度和加註均衡性要求高,加注時間漫長,整個過程需要8個晝夜,技術難點大,也是國內首次正式實施的高難度高風險加注任務。

航天科技集團六院院長王萬軍表示,「10個月的時間,六院人的心一直與天問一號一起在深空飛翔,始終牽掛她的安危,如今成功實現火星軟著陸,充分驗證了我院研制的78台發動機的性能,這為我們完成後續任務增添了信心。」




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從台積電「惹」到特朗普 看他最「憎」的三件事

2024年11月23日 10:42 最後更新:11:00

特朗普的極端言論刺激著台灣社會輿論神經,民進黨當局擔心隨著「特朗普2.0」時代的到來,島內會被狠狠「敲竹槓」,有台媒戲稱「賴清德們」慌了。

深圳衛視《直新聞》注意到,特朗普在競選期間曾多次聲稱台灣「偷走」美國的半導體生意,批評拜登政府推動的美國「芯片法案」補貼,並強調只要把關稅提高到一定水準,芯片製造商就會自動到美國設廠,這些說法也引起島內對特朗普上任後會對台積電採取何種措施的擔憂。

AP圖片

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不過,美國國內輿論似乎更樂觀一些。美國全國廣播公司商業頻道(CNBC)引述專家分析指,特朗普不太可能撤銷拜登政府的《芯片和科學法案》,但是在關稅方面會有更大動作。美國智庫彼得森國際經濟研究所所長波森也有類似觀點,認為特朗普不會撤銷該法案,但可能對其重新定義。

需要指出的是,台積電是美國蘋果公司和英偉達等高科技公司的主要供應商,同時投資了650億美元在亞利桑那州設立新工廠。美國半導體產業龍頭企業英特爾的市值只相當於台積電的10%,韓國三星更是被台積電遠拋在後。台灣財經媒體人謝金河認為,特朗普需不需要台積電,才是最核心的問題,島內人士不必樂觀過頭,也不必懷憂喪志。

對於特朗普捲土重來的諸多不確定性,有台灣名嘴一針見血地指出,美國真正看中的並不是台積電的技術,而是希望將美國人自己從經濟困境中救出。台灣前立委郭正亮表示,「美國為什麼會走到今天這個地步?在幾家科技公司的股價中,美國英特爾不斷下跌,所以才需要各方來支援」。

台灣淡江大學學者李大中認為,特朗普的看法就是台灣應該大幅提高防務預算,這很符合他一貫的想法。特朗普一直認為做美國的盟友或者伙伴,都不能搭美國的便車,要自己為自己的安全負責。李大中強調,可以想像,台灣在防務這個領域,「應該會有更大壓力」。

至於特朗普提及台灣芯片業者「搶走美國的生意」,台灣政治大學東亞研究所名譽教授丁樹範認為,特朗普未必會因此對台灣採取報復或懲罰措施,他真實的想法其實是「想把製造業帶回美國」。

台灣經濟研究院景氣預測中心主任孫明德認為,特朗普要的不只是台積電,而是希望將整個供應鏈轉移到美國,以幫助相對落後的「鐵鏽」地區能重新繁榮發展。

孫明德認為,台積電「惹」到特朗普的不是技術,而是賺了美國的錢。有三件事不能對特朗普做,包括「靠貿易賺美國的錢、靠美國花錢保護、搶工作讓美國人賺不到錢」。

台媒此前報道,台積電在亞利桑那州的芯片廠即將完工,會於下月舉行開幕典禮,屆時美國當選總統特朗普及在任總統拜登可能同時出席。不過,也有芯片業者認為,說特朗普和拜登「同框」,那是不了解美國政情:「如果台積電邀了特朗普,怎麼可能還會找拜登?而如果拜登要去,特朗普也不可能現身。」

AP圖片

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台積電雖未證實特朗普和拜登「同框」的消息,但台經濟部門負責人郭智輝曾宣稱,台積電下月會有個「很好的典禮」。台灣聯合新聞網等媒體還表示,屆時台積電創辦人張忠謀、董事長魏哲家和財務長黃仁昭等都有可能會出席。

台灣《中時電子報》稱,島內很擔心特朗普的「美國製造」政策,是否會要求台積電「2納米製程」提前赴美設廠。對此,郭智輝稱,根據相關法令,目前「2納米」還不能去海外生產,需台經濟部門審查。不過他坦言,「先進製程遲早會過去,只是不是現在」。

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