“天问一号”火星探测 安徽科技保驾护航
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7月23日 ， “天问一号”火星探测器正式踏上太空之旅 ， 开启了中国首个火星探测任务 。 中科院合肥物质科学研究院 ， 中国科技大学 ， 中电博微16所、38所、43所及中电博微圣达科技都用自己的科研成果为“天问一号”火星探测之旅贡献着安徽科技的力量 。
磁强计
获取火星空间磁场环境高精度数据
火星探测任务作为我国深空探测重大科学工程的第一次任务 ， 将在一次任务同时实现“绕、落、巡”三个目标 ， 开展火星全球性和综合性探测 ， 面临的挑战前所未有 。
“天问一号”火星探测器由着陆巡视器和环绕器组成 ， 其中环绕器有效载荷火星磁强计由中国科技大学研制 ， 其主要功能是获取火星空间磁场环境高精度数据 ， 全面准确地测量火星空间边界层 ， 探测火星南部局地岩层的剩磁及火星感应磁层 ， 研究近火空间处的行星际等离子体和行星际磁场等 ， 同时还会结合其他载荷仪器对火星大气中的粒子逃逸等问题开展研究 。
中科大是我国深空探测中首个承担单机级科学载荷任务的高校 。 该校2016年1月正式启动火星探测火星磁强计的研制任务 ， 具体由该校地球和空间科学学院的空间有效载荷研制平台承担 。 该平台同时隶属于中国科学院近地空间环境重点实验室和中科院比较行星学卓越创新中心 ， 主要研制空间低能粒子探测器和空间磁场探测器两类空间的有效载荷 。 据悉 ， 在火星探测任务中 ， 空间有效载荷研制平台还与核探测与核电子学国家重点实验室(中国科学技术大学部)安琪教授团队合作参与了火星离子与中性粒子分析仪的研制任务 。
环绕器探测雷达
“透视”火星地下都有啥物质
“天问一号”在“绕”的阶段 ， 要完成探测火星表层和次表层结构分层信息 ， 寻找火星地下冰水存在的痕迹与证据 ， 这个过程需要用到火星探测设备 。 在“天问一号”上 ， 共搭载了7个火星探测设备 ， 可环绕火星运转并对火星次表面进行探测 。 中电博微38所负责研发了我国首款环绕器次表层探测雷达 ， 是七个火星探测设备之一 ， 相当于为“天问一号”加装了一双“透视眼” 。
不同于其他探测设备 ， 环绕器次表层探测雷达利用低频段雷达的介质穿透特性 ， 在高速环绕的卫星平台上 ， 向火星发射低频率电磁波 ， 穿透到次表层内部 ， 利用回波特性分析次表层分层结构 ， 并推算其物质组成 。 为减少与次表层在相同距离上的地表回波对次表层分层检测的影响 ， 38所设计了双频段发射双极化接收的先进体制 ， 兼顾低频段雷达的穿透性和浅表层的高分辨能力 ， 并根据科学探测的实际需要 ， 设计了高低频脉间交替的工作模式 ， 实现了对火星次表层10米以下的分层精度探测 ， 其中 ， 对次表层土壤的穿透深度可达几百米 ， 对冰层可达几千米 。 利用这双“透视眼” ， 探测器将完成探测火星表层和次表层结构分层信息 ， 寻找火星地下冰水存在的痕迹与证据的任务 。
特种低温接收机
探测器上的“顺风耳”
不同于地月间距的38万公里 ， 人类探测器要想到达火星 ， 需要飞越约4亿公里的漫漫长路 。 在茫茫宇宙中 ， 由于距离极其遥远 ， 探测器发回的信号非常微弱 ， 地面测控系统和通讯接收系统需要对上亿公里之外的微弱信号进行精确接收、处理和分析 ， 对于常规接收系统 ， 这几乎是不可能完成的任务 。
中电博微16所研发的低温接收机 ， 采用低温制冷的方式使核心微波接收链路工作在-253℃真空低温环境中 ， 通过物理极限大幅降低电子器件的热噪声 ， 从而使接收系统获得“超级灵敏度” 。 采用特种低温接收机为核心的测控、通讯和射电天文系统 ， 可将信号接收、探测的距离实现量级式提升 ， 好比为地面测控和通讯系统装上了“顺风耳” ， 能满足包括火星探测在内的星际探索任务要求 。
厚膜抗辐射电源
探测器的强大“心脏”
茫茫深空 ， “天问一号”将按照轨迹耗时约7个月 ， 预计于2021年2月抵达火星 ， 需要走过的路已经远远超过了中国此前的航天任务 。 漫漫长路 ， 便是“天问一号”开启火星探测之旅面临的第一个挑战 。
“天问一号”姿态轨道控制系统(简称“姿轨控系统”)主要保障探测器在这7个月时间内的变轨和入轨任务 ， 包括霍曼转移轨道中的姿态控制 ， 以消除姿态静态误差 ， 使探测器按预定姿态和轨道飞行、顺利进入火星轨道 ， 并为后续的着陆任务提供保障 。 中电博微43所自主研制的厚膜抗辐射DC/DC变换器像“心脏”一样 ， 为“天问一号”姿轨控系统提供稳定供电 ， 确保火星探测器在历时7个月的时间里能够按预定姿态和轨道飞行、顺利进入火星轨道 ， 并为后续的着陆任务提供保障 。
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缓冲拉杆+铝硅外壳助
探测器平安着陆火星
火星环境复杂、表面凹坑密布 ， 着陆过程是整个火星探测任务中难度最大的过程之一 。 为了保障“天问一号”在火星表面成功实现软着陆 ， 在它的着陆机构中采用了中科院合肥物质科学研究院固体所研制的特种高吸能合金 ， 利用该合金突出的强韧性、轻质性和吸能性为“天问一号”保驾护航 。
另外 ， 天问一号重量高达5吨多 ， 是迄今为止行星探测器中重量最大的一个 ， 对着陆缓冲材料性能及其稳定性提出了更高要求 。 固体所通过深入的材料微观分析和独特的工艺创新 ， 在材料成分不变的前提下 ， 实现了材料吸能性的显著提高 ， 为着陆机构优化设计提供了重要支持 。
高吸能合金是固体所根据我国“嫦娥三号”、“嫦娥四号”探测器在月面极端环境下软着陆需求而研制的一种新材料 ， 具有极高的强韧性和吸能性 ， 是“天问一号”使用的唯一着陆缓冲材料 。
【“天问一号”火星探测 安徽科技保驾护航】如何保障探测器着陆系统电路的安全 ， 是探测器在火星恶劣环境下着陆面临的又一难题 。 中电博微圣达科技研发的系列铝硅封装外壳为探测器着陆系统的TR组件等核心关键元器件提供了轻质高可靠的封装解决方案 ， 为器件内部电路穿上了安全可靠的“保护衣” ， 有了这层“保护衣” ， 探测器在火星安全平稳着陆便多了一份保障 。 为确保完成项目 ， 圣达科技整合了设计、工艺、质量、调度等核心力量 ， 攻克了气密性封装、高可靠镀覆、氢含量控制等多项技术难题 ， 切实提高了封装外壳的可靠性和环境适应性 。 (采访人员汪永安、陈婉婉)
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