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。
點擊看圖輯
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。
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。
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。
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。
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。
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。
「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。
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。
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。
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。
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。
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。」
毛拍手
** 博客文章文責自負,不代表本公司立場 **
