“上海元素”为我国首次探火保驾护航

长征五号运载火箭的助推器。 张阳 摄

“天问一号”昨天开启飞向火星的旅程，将一步实现“环绕、着陆、巡视”三个任务目标。

火星环绕器和长征五号四个助推器均由中国航天科技集团有限公司八院抓总研制，前者是“天问一号”火星探测器的重要组成部分，后者则为火星探测器的安全发射和精确入轨保驾护航。此外，中科院上海天文台牵头负责的甚长基线干涉测量（VLBI）测轨分系统，则可以帮助“天问一号”清晰定位、在漫长旅途中找准方向。中科院上海技术物理研究所研制的两大载荷：搭载在火星车上的火星表面成分探测仪和轨道器上的火星矿物光谱分析仪，将替我们到火星去探索这颗星球的奥秘。

一个好“箭”四个帮

“天问一号”的运载工具长征五号运载火箭，被外界视为火星探索的“太空巨无霸”。上海航天人总承研制了火箭的四个3.35米助推器、助推伺服系统、外安、芯级配套电池。

长五由直径5米的芯级火箭和四个直径3.35米的助推器组成，其中四个助推器是起飞的主要动力源。它们的力气有多大？火箭超过1000吨的起飞推力中，四个助推器就提供了90%以上。

根据总体设计方案，火箭采用助推主支撑的方式，即在全箭竖立时，靠分布于四个助推器上的12个支撑点停放在发射台上。要实现这种支撑，对助推器的结构设计要求非常高，不仅要承受住火箭800多吨自身重量，抵挡住文昌航天发射场特有的大风，还要让火箭在助推飞行过程中将几百吨推力有效传递给芯级，并经受发动机产生的复杂热环境考验。

长五副总指挥兼副总设计师鲍国苗介绍，自2006年10月立项以来，八院研制团队先后突破了低温POGO分析和抑制技术、偏置集中力设计分析与试验技术、氦加温增压技术、尾部防热技术等14项重大关键技术攻关。虽然给研制团队加大了难度，但这一设计有利于减轻芯级尾段重量，提高火箭运载能力。

长五助推器首次采用斜头锥和前捆绑主传力结构。当发动机的推力往上传时，通过头锥上的前捆绑点传递给芯级。经测算，在头锥不足0.1平方米的前捆绑点处，实际要承受300多吨的偏置集中力载荷，这就像一个人“单肩”扛重物。为了抗住这股劲，研制团队为头锥量身定制了一款专属的“梁式”承载偏置集中力构型，用3000多个零件铆接而成斜头锥，而锥体与芯级的前捆绑点轴承支座则采用一体化设计，有效保证结构强度。最终这一设计通过了多舱段联合低温静力试验，有效验证了该型结构设计的可行性。

“多面手”无缝切换

集“飞行器、通讯器、探测器”三重功能于一身的环绕器，也是不折不扣的“上海制造”。首次火星探测任务探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍，火星环绕器设计寿命三年，采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。

火星环绕器携带着陆巡视器，主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，并将为火星车提供三个月的中继服务；在科学任务段通过携带的高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达等有效载荷，对火星开展约一个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

这趟远途，环绕器不仅任务繁重，难度也是空前的，要经受飞行时间长、面临环境差、控制要求高、空间动作繁等众多考验。其能源系统就需要在整个任务过程中保证稳定可靠的电力供给。

电源分系统副主任设计师许峰表示，环绕器将根据太阳电池阵输出功率决定系统工作模式，分三种供电模式：锂离子蓄电池组供电模式、太阳电池阵与锂离子蓄电池组联合供电模式、太阳阵供电模式。

一双“慧眼”看火星

火星矿物光谱分析仪实验室测试照片。（中科院上海技物所供图）

“天问一号”的火星环绕器和巡视器上，分别搭载了上海研制的“红外眼”和“激光眼”，它们将在抵达火星轨道、火星车成功着陆后正式开机，执行火星表面矿物成分分析的科学任务。