揭秘火星着陆“生死九分钟”的保命手段
5月15日，天问一号探测器成功着陆火星乌托邦平原。任务中，中国航天科工二院25所自主研发的相控阵敏感器起到“千里眼”的关键作用，这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量，被称为火星着陆末段“生死九分钟”的保命手段。
据相控阵敏感器总工程师孙武介绍，相控阵敏感器安装在天问一号着陆巡视器进入舱着陆平台的下方，作用范围达十几公里，可谓火星探测器的太空“千里眼”，和其他不同原理的测量敏感器密切配合，“接力”引导探测器平安落地。
“相控阵敏感器在天问一号进入火星大气后，距火星表面约7公里高度时开始工作，持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据，用于探测器的减速、悬停和软着陆控制，直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。”孙武说。
天问一号探测器从约125公里处高空进入火星大气，时速高达每秒5.9公里，要在短短9分钟的时间内，让探测器的速度降至零，是火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻。
孙武告诉记者，与此前的载人航天工程任务不同，火星和地球之间距离漫长，通信存在较长时延，在地球上无法控制着陆过程，必须让天问一号着陆巡视器自主完成这“生死九分钟”的旅程，对敏感器的要求极为苛刻。
据他介绍，相比于国内外已有的着陆测量雷达，相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成，就像生物学中蜻蜓的“复眼”，具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。
相控阵敏感器主任设计师刘佳透露，天问一号着陆巡视器在下降过程中，会经历多种工作环境。与之前落月任务相比，由于火星重力比月球大，着陆下降加速度会更快，需要利用火星大气进行降落伞减速。在高速下落过程中打开降落伞，探测器会因减速冲击发生剧烈摆动，是影响着陆成败的关键时刻。
“这一瞬间，在相控阵敏感器的测量方向上，距离会有很大的变化，同时部分测量信号会打到地平线以上，出现检测不到目标的情况。”刘佳说，“对相控阵敏感器来说，就像在快速荡秋千，眼睛要看清地面一页纸上写的字。”
火星上时常会发生剧烈的尘暴天气，在天问一号着陆巡视器靠近火星表面时，其发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾，对探测传感器造成影响。
孙武说，相控阵敏感器在信号频段选择上做了充分的对比和论证，采用多种算法进行了综合优化，并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态，确保测量的可靠性。
相控阵敏感器设计师贾学振说，相控阵敏感器采用了瓦片式收发模块高密度集成，“相当于用1套设备完成9套传统设备的功能”。这意味着，探测器可以携带更多科学载荷和燃料，完成更多的探测任务。
相控阵敏感器是90后设计师陈枭煜工作以来参加的第一个项目，临近执行任务的那段日子，他忙碌又兴奋。
“我们采用了全新的相控阵体制，每项试验它都表现得非常出色，如今又在着陆任务中表现给力，让人欣慰！”陈枭煜说。
在研制初期，相控阵敏感器团队就瞄准国际领先的目标，制定距离和速度的测量精度要求。这是一次新体制在新环境下的新应用，孙武带领研究团队“从零”开始技术攻坚。
2016年项目成立，相控阵敏感器团队当即组建了总体、调度、组合、工艺、结构、可靠性、物资、质量等突击分队，聚焦关键技术突破，协同集智攻关，从纵向和横向覆盖产品的各个研制环节，通过了直升机挂飞试验、外场扬尘试验、悬停点火试验等10余项试验的验证。
相控阵敏感器研制团队平均年龄35岁，这支年轻团队在短短几年的时间内打造出了高科技、硬质量的“航天精品”，相比于国外同类产品，实现了体积更小、重量更轻、功能更全、精度更高的既定目标。
“科技创新这条路，一定会有坎坷，但必须要坚持走。”孙武说。
(责编：赵超、吕骞)
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