成功着陸！5月15日7時，我國首個火星探測器天問一號完成火星環繞后，在火星烏托邦平原南部預選着陸區着陸，在火星上首次留下中國印跡，邁出了我國星際探測征程的重要一步。天問一號開展火星環繞、着陸和巡視探測的背後，有哪些我國獨立自主研發的黑科技在保駕護航？
中國航天科工集團有限公司有關專家向記者介紹了該集團研製生產的相控陣敏感器、高性能晶體元器件和電連接器、納米氣凝膠材料、加速度計、解鎖分離裝置等系列產品。
相控陣敏感器：首次亮相的太空“千里眼”
在天問一號着陸火星過程中，航天科工二院25所自主研發的相控陣敏感器首次實現地外天體着陸測量，發揮了關鍵作用。
據介紹，相控陣敏感器安裝在火星着陸巡視器進入艙着陸平台的下方，作用範圍達數十千米，可謂火星探測器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的測量敏感器一起，密切配合，“接力”引導航天器平安落地。
相控陣敏感器在航天器進入火星大氣后，距火星表面約 7公里高度時開始工作，持續提供相對於火星表面多個方向的距離、速度數據，用於航天器的減速、懸停和軟着陸控制，直至着陸巡視器降落至火星表面約5米處。
航天器從130多公里的高空進入火星大氣，時速高達每秒5.9公里，要在短短7分鐘的時間內，讓航天器的速度降低到零，是所有火星探測任務中技術難度最大、失敗概率最高的關鍵時刻。
相控陣敏感器總工程師孫武介紹，這是國內首次將相控陣體制雷達應用於地外天體着陸測量。與此前的載人航天工程任務不同，火星和地球之間距離漫長，通信存在十幾分鐘的時延，在地球上無法控制着陸過程，必須讓着陸巡視器自主完成這‘黑色七分鐘’的旅程，對敏感器提出的要求極為苛刻。
“相比於國內外已有的着陸測量雷達，相控陣體制的雷達天線由多個輻射單元組成，就像生物學中蜻蜓的複眼，具有波束掃描快、指向靈活、目標容量大、抗干擾能力強等特點。”孫武詳細介紹了新體制敏感器的技術優勢。
“25所研製的相控陣敏感器可以提供9個方向的測量功能，探測的方向可以通過軟件定義，航天器可以切換其中任意4個方向同時測量距離速度信息，從而快速修正航天器的姿態測量誤差，準確地找到火星的水平面，確保着陸器的方向控制準確無誤。”
相控陣敏感器主任設計師劉佳透露，火星着陸巡視器在下降過程中，會經歷多種工作環境。與之前落月任務相比，由於火星重力比月球大，着陸下降加速度會更快，需要利用火星大氣進行降落傘減速。在高速下落過程中打開降落傘，航天器會因減速衝擊發生劇烈擺動，是影響着陸成敗的關鍵時刻。
“這一瞬間，在相控陣敏感器的測量方向上，距離會有很大的變化，同時部分測量信號會打到地平線以上，出現檢測不到目標的情況。”劉佳說，“對相控陣敏感器來說，就像在快速盪鞦韆時，眼睛要看清地面一頁紙上寫的字。”
測量速度快、受干擾影響小，相控陣敏感器為著陸成功提供了堅強保障。
此外，火星上時常會發生劇烈的塵暴天氣，在巡視着陸器靠近火星表面時，航天器發動機噴射也會激起地面的粉塵和沙礫，對探測傳感器造成影響。
“微波信號體制應對這種環境具有相對優勢，”軟件設計師徐秋鋒說，“在這個前提下，產品在信號頻段選擇上做了充分的對比和論證，採用多種算法進行了綜合優化，並在沙漠戈壁通過直升機氣流模擬試驗了在沙塵暴天氣中的工作狀態，確保測量的可靠性。”
深空探測任務的特點決定火星探測器需要在太空長時間工作，因而對自身的重量和體積提出了極為嚴苛的要求。目前國際普遍使用的着陸雷達，需要多個雷達天線實現不同方向的測量，而該型相控陣敏感器採用了瓦片式收發模塊高密度集成，使用一套天線即可實現120°視場內任意方向的精確測量，極大降低了產品重量和體積。“相當於用 1套設備完成9套傳統設備的功能。”設計師賈學振介紹，“這意味着航天器可以攜帶更多科學載荷和燃料，完成更多的探測任務。”
“定製化設計”：為平穩着陸提供多重保障
應用降落傘減速，是確保探測器平穩着陸的關鍵環節之一。在任務前期，需要開展試驗反覆驗證。
航天科工三院三部研製的“定製化”火箭制導艙，成功將4發試驗火箭準確控制到試驗預定高度、速度和姿態角窗口，有效驗證了探測器着陸降落傘的各項指標。試驗火箭一體化制導艙能夠在火箭初始發射階段和30公里以上高度飛行時，實現對火箭姿態的精準穩定控制。
天問一號離軌着陸階段，三院33所研製的石英撓性加速度計提供了準確的加速度測量信息，幫助着陸巡視器實時獲取速度、位置等信息，保障着陸巡視器GNC（制導導航與控制分系統）的自主慣性導航精度，為順利着陸提供重要前提。
加速度計本次主要有兩項任務，一是搭載於着陸巡視器，為其上的GNC（制導導航與控制分系統）提供加速度信息，確保自主慣性導航精度，為安全平穩着陸提供重要技術支撐；二是搭載於火星車上，實時“感知”運動過程中的姿態信息，從而為火星車安全平穩地巡視火星表面保駕護航。
本次執行任務的加速度計與此前在神舟系列飛船、探月工程等任務作出貢獻的加速度計屬同一系列。
技術人員透露，在設計方案上，對本次執行任務的加速度計繼續保持了對溫度控制、密封等環節的嚴密把控。任務前，還曾特意模擬火星環境對加速度計進行了低於零下100攝氏度的工作測試。測試顯示，在這遠超正常工作溫度的環境下，加速度計依然能夠提供測量數據。
天問一號着陸過程中，環繞器和着陸巡視器需要完成分離，着陸火星后，着陸平台需要釋放火星車，每個環節都需要“定製化”的解鎖分離裝置來實現。
航天科工三院111廠為此次任務研製了兩器連接解鎖裝置、背罩連接解鎖裝置、大底連接分離裝置、火星車連接解鎖裝置等6項裝備。這些關鍵部件實現了着陸巡視器與環繞器的連接解鎖及分離功能，並在着陸后完成火星車與着陸平台的解鎖分離。
納米氣凝膠：為穩定安全運行保駕護航
因探測環境差異巨大，天問一號需要接受“冰火兩重天”的溫度考驗。
納米氣凝膠是一種不為大眾熟知的神奇材料。它是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡，其密度可以做到比空氣還輕，是世界上最輕的固體；導熱係數僅為靜止空氣的一半，是導熱係數最低的固體，這使它成為“天問一號”應對極寒、極熱等嚴酷環境所需熱防護材料的不二之選。
航天科工三院306所專家介紹，他們為天問一號研製了兩類高性能納米氣凝膠材料，以其高效防寒隔熱功能，為火星探測任務中應對極寒、極熱兩種嚴酷環境提供保障。其中，超低密度納米氣凝膠隔熱板用於阻隔火星表面低至-120℃的極寒環境，該類超輕質材料密度僅為常規氣凝膠材料的十分之一，可以有效降低火星車負載。耐高溫納米氣凝膠隔熱組件用於阻隔着陸發動機產生的高達1200℃的高溫熱流，保護着陸平台的正常功能。
航天科工二院203所為天問一號的通訊系統、制導系統、控制系統研製生產了系列晶體元器件產品。晶體元器件體積雖小，卻可以為電子設備提供穩定的頻率信號，因此常被稱為電子設備的“心臟”。此次出征的晶體元器件產品具有可靠性高、性能指標優、環境適應性好等特點，能很好地滿足探測器在太空中長時間飛行的需要。
航天科工三院304所對接收、處理火星探測數據的地面應用系統開展軟件測試，為天問一號信號接收軟件做好“體檢”。304所研發的火星探測任務分析與評估系統，為測控總體的方案設計、過程仿真和結果評估提供定量化分析手段，有效支撐測控總體迭代優化。
航天科工所屬航天江南航天電器公司為本次火星探測任務研製生產的連接器、繼電器產品超過6000隻（套），在相關係統中承擔信號傳輸、信號控制與信號通斷等作用，成為電信號傳輸系統的“神經樞紐”。探測器遨遊太空、着陸火星，其一身“鋼筋鐵骨”離不開航天科工所屬航天精工研發生產的數以萬計高強度、高性能緊固件產品，在提高探測器耐高低溫、抗疲勞等綜合性能方面發揮了重要作用。
據悉，後續火星車將與着陸平台解鎖分離，開啟火星巡視探測任務。航天科工所屬航天江南航天電器公司“定製化”設計研發了矩形分離連接器和射頻脫落連接器，實現了火星車與着陸器之間控制信號的物理連接與分離，是保證背罩、大底和着陸器三大結構部件可靠分離的關鍵部件。
火星表面地貌複雜，如何讓火星車能夠自如地爬坡下坎，航天科工所屬航天江南群建精密公司為火星車設計研製了“定製化”的懸架減速自鎖裝置。這套裝置由兩部分組成，其中一部分用於夾角調節機構，另一部分用於離合器機構，二者相互配合，使得火星車能夠精準調節車體姿態以適應火星表面地形地貌。同時，安裝在火星車上的加速度計隨時為GNC提供測量信息，確保火星車移動的過程中能夠隨時精準“感知”速度、位置，為火星車安全平穩地開展工作保駕護航。