首次火星探测任务的科技与管理创新

耿言 张荣桥 赫荣伟 周继时

摘 要：我国首次火星探测任务，是迄今为止我国在深空探测领域技术跨度最大、创新性最强的一项航天系统工程。本文概要介绍了该任务工程目标和飞行过程，凝练了工程的特点、难点以及取得的创新成就，总结了工程组织实施和项目管理的一些创新做法和经验，对工程实施整体情况进行全景式描述。

关键词：首次火星探测任务;工程进展;创新成就;组织管理

中图分类号：V57 文献标识码：A 文章编号：2097-0145（2022）01-0003-06 doi：10.11847/fj.41.1.3

Abstract：China’s first Mars exploration mission is the most innovative aerospace system engineering program up to now with the largest technological spanning in the field of deep space exploration. The mission objectives and flight process are briefly introduced in this paper， where the characteristics， difficulties and innovation achievements of the program are summarized. Meanwhile， some innovative practices and experiences of engineering organization and project management are given and the overall process of mission is described from a comprehensive perspective.

Key words：first Mars exploration mission; mission process; innovation achievements; organization and management

1 引言

我国首次火星探测任务（“天问一号”任务）圆满实现火星环绕、着陆和巡视探测，通过环绕开展火星全球性、综合性探测，通过巡视开展火星表面重点地区高精度、高分辨的精细探测。该任务科学目标包括研究火星形貌与地质构造特征、表面土壤与水冰分布、表面物质组成、大气电离层及表面气候环境特征、物理场与内部结构[1，2]。“天问一号”任务起点高、技术跨越大，任务环境新、不确定性大，关键环节多、固有风险大[3，4]，环境模拟难、试验难度大，飞行距离远、资源约束大，研制周期紧、进度风险大，通过工程实施，构建了我国独立自主的行星探测基础工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍。该任务在国际上首次通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视的三步跨越，在行星探测领域一举进入世界先进行列[5～7]，是迄今为止我国深空探测领域技术跨度最大、创新性最强的一项航天系统工程。

2 工程建设概况

2.1 系统组成

“天问一号”任务由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。工程总体负责工程组织实施、总体设计和项目管理，包括：确定工程总体指标，并分解给工程各系统;开展系统间技术接口设计和协调，组织开展跨系统大型试验、联调和演练，确保各系统技术和计划接口协调匹配;开展工程顶层分析和研究，以工程总体性能、指标、可靠性最优为目标，制定和优化工程总体方案;组织开展工程产品保证、节点控制、飞行运控、科学研究等工作。

探测器系统负责研制火星探测器（图1），包括环绕器和着陆巡视器，着陆巡视器（图2）由进入舱和火星车组成，实现火星环绕和着陆巡视，开展火星科学探测。运载火箭系统负责研制一枚“长征五号”运载火箭，并将探测器发射至地火转移轨道。发射场系统负责在文昌航天发射场实施发射（图3）。测控系统负责以现有测控网站为基础，在新疆喀什深空站增建3副35m口径天线与现有天线组阵（图4），同时提升甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）测轨分系统的时延精度，建设任务飞行控制系统，完成运载火箭和探测器的飞行控制。地面应用系统负责制定有效载荷在轨科学探测计划;在天津武清建设70m口径天线（图5）并与已有数据接收站组阵，实现科学探测数据高效接收;建设火星科学数据处理、管理和发布系统，形成标准数据产品，并分发给科学家团队开展研究。

2.2 实施与飞行过程

“天问一号”任务于2014年9月启动先期攻关，2016年1月得到国家批准立项。工程以探测器研制为主线，经历方案设计、初样研制、正样研制三个阶段[8]，于2020年4月按照既定研制流程完成全部產品研制，进入文昌航天发射场开展发射准备。

2020年7月23日，长征五号运载火箭零窗口发射，将探测器精确送入地火转移轨道。在地面测控支持下，探测器经过202天飞行，行程4.75亿km，于2021年2月10日与火星交会，成功实施捕获制动，准确进入环绕火星轨道，再经数次轨道调整，进入火星停泊轨道，对预选着陆区进行详查，为火星着陆做好准备（图6）。

2021年5月15日，探测器降轨并为着陆巡视器建立进入姿态，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器随即升轨，返回停泊轨道。着陆巡视器继续弹道飞行，在距离火星表面125km处进入火星大气，通过气动外形、降落伞、发动机反推、着陆缓冲四级减速，7时18分软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区（109.9°E，25.1°N）。火星车随即展开设备，建立通信，进行驶离准备。

2021年5月22日，“祝融号”火星车驶上火星表面，开始巡视探测，并传回着陆平台照片，首次留下“中国印迹”（图7）。

2021年6月11日，国家航天局发布着陆火星首批科学影像数据，宣布中国首次火星探测任务实现火星环绕、着陆、巡视三大目标，工程取得圆满成功。

3 工程科技创新与成就

首次火星探测任务起点高、跨越大、系统复杂，实现了我国深空探测能力从地月系到行星际的跨越[9]，总体方案国际首创，综合技术水平国际先进，部分技术国际领先，为我国航天事业发展建立了又一座里程碑。

3.1 国际上首次通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视三大目标

在国际上首次通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视。工程的成功实施，解决了火星环绕、着陆、巡视、探测、中继等任务耦合程度深、制约因素繁、单点环节多的难题，带动了我国多目标复杂航天任务总体设计能力和水平的巨大跨越，为后续多目标行星探测任务设计创立新范式。同时，又催生了大量新思路、新方法、新技术、新材料、新产品、新算法、新模型等原始创新，特别是多项新技术在国际上首次应用于火星探测。工程多项技术指标达到国际先进水平，部分技术国际领先。

3.2 首次实现地球逃逸轨道发射

提出固定射向、固定滑行时间的多弹道奔火发射方案，解决了连续14天、每天3条弹道、每条弹道覆盖10min窗口发射带来的飞行诸元临射切换、测控布船、航落区安全管控等难题，并突破了双曲线弹道制导控制、地球逃逸轨道C3关机控制等关键技术，保证了火星探测每26个月一次机会中可靠发射，精准入轨，成功实现我国首次第二宇宙速度火箭发射。

3.3 首次实现地外行星软着陆

国际上首次采用基于可展开配平翼变气动外形的“弹道-升力式”气动减速方案，以国外同类任务十分之一的质量代价实现攻角精确控制。突破了EDL系统设计、短钝体气动外形设计、高精度气动力热预测、EDL全自主导航控制、复杂流场下多体可靠分离等关键技术，并攻克了轻质防热材料、大型超音速降落伞、中室压双组元变推力发动机等产品研制难关。成功实现我国探测器首次安全软着陆火星表面（图8），着陆精度为千米量级（3.1km），达到国际先进水平，部分技术国际领先。

3.4 首次实现地外行星表面巡视

国际上首次采用基于主动悬架的移动技术，实现火星车蟹行、尺蠖运动等多种运动形态，并突破火面自主导航和智能管理等关键技术，解决了在复杂地貌下高效移动与沉陷脱困的难题。国际上首次采用基于光热直接转换利用的热控技术，转换效率达到80%，并突破了火星表面太阳光谱匹配发电、纳米气凝胶隔热等关键技术，解决了火星弱光照、极低温、无核源情况下能源平衡和热控保障难题。成功实现中国的首个火星车在火星表面巡视（图9），百日千米的高效探测能力达到国际先进水平，部分技术国际领先。

3.5 首次实现4亿km远距离测控通信

突破了大动态/超低信噪比的捕获跟踪与解调、天线异地组阵、行星际高精度测定轨等关键技术，并攻克了载波捕获门限优于-157dBm星载X频段应答机、亚洲最大70m口径全可动天线等研制难关，实现火星环绕探测定轨精度优于1km、4亿km数传码速率达到2Mbit/s的测控通信能力。国际上首次采用UHF/X双频段全自主中继通信技术，单日中继数传能力达到500Mbit。我国独立自主的深空测控通信能力达到国际先进水平，部分技术国际领先（图10）。

4 工程管理创新

“天问一号”任务是我国首个行星探测任务，本文在以往航天重大专项工程组织管理模式的基础上[10，11]，实事求是地提出了一些新管理理念，以适应这一任务的特殊性。

4.1 技术管理强调不惮更改、不断完善

“天问一号”任务起点高、跨越大、环境新，研制中不断遇到新问题，需要新思路。在坚持“技术状态清晰”的原则下，提出“火箭不点火，设计完善不停止”的新理念，打破“谨防小改出大错”的思维定势，鼓励研制队伍不断探索、反思，对在研产品和系统提出完善和优化建议。对于有利于提高工程可靠性、降低风险的新建议，按照技术状态更改“五条原则”（即论证充分、各方认可、试验验证、审批完备、落实到位）稳妥实施。发射后，针对首次行星际飞行中获得的新认知，提出将“飞行阶段作为工程的第四个研制阶段”的新理念，要求飞控队伍敢于把设计余量拿出来，摸清新系统的底线，优化飞控策略，将火星车运行模式由原设计的“三日一个行驶、探测、数传周期”改为“一日一周期”，在保证安全稳定运行的前提下，大大提高了探测效率，丰富了获取的科学探测数据。

4.2 质量管理强调完整供应链全周期质量保证

针对近年来航天产品质量问题多发在外协环节的现实，在管理实践中深入推进全供应链产品保证。按照“横到边、纵到底”的原则，按系统、分系统、单机、部组件、工艺、试验等产品配套层级，全面理清协作配套单位，逐级建立产品保证组织、逐级形成产品保证要求、逐级制定产品保证计划，将产品保证要求逐级传递并逐层具体化到底，并由工程总体组织专家组，开展产品保证工作检查，确保产品的特殊应用环境得到各级研制队伍的充分理解，特殊要求得到各级研制队伍的充分关注和落实。提出“验收合格不等于可靠，产品交付不等于完事”的新理念，将单机产品保证工作延伸到系统集成阶段，组织各层级系统和产品上下游研制團队“交底”，促进“使用方理解每件产品特性，承制方反思使用环境适应性”，共同确认产品使用状态正确，提高系统可靠性。

4.3 计划管理强调进度与质量并重

航天任务一直秉承进度服从质量的理念。受天体运行规律的约束，火星探测每隔26个月才有一次发射机会，不同发射机会对应的火箭运载能力、飞行轨道、测控实施等技术要求不同。一旦错过窗口再次组织发射，势必带来大量的技术状态更改，给工程质量和可靠性引入更多风险。为此，自工程启动即在全系统树立“进度即质量”的新理念，以抓质量的坚决，坚持“技术流程优化、资源保障先行、留有一定余地”的原则周密制定计划，坚持“早策划、早部署，早识别风险、早采取措施”的原则，严格计划调度，严控计划调整。针对出现的进度短线，坚持“以技术见底为前提，以确保质量为基础”，由指挥系统和设计师系统协同推进技术、质量问题与进度短线协同解决，确保实现“有质量”的进度。

4.4 科学研究借鉴工程管理方法拉動研究能力提升

我国行星科学研究起步晚，多数科学家对航天工程十分陌生，多数载荷工程师缺乏行星科学研究背景，对产出高水平成果十分不利。对此，一是从工程立项开始即组建科学目标先期研究团队，引导一批科学家开展相关领域前沿技术的跟踪调研、学习探索和方法的先期研究，形成队伍基础。二是有计划地推动科学家和工程师交流和研讨，引导和鼓励科学家“早着手、早准备、早介入”，同时推动载荷工程师建立“科学载荷以数据而非产品交付为目标”的理念，在研制中充分考虑科学应用需求。三是确立工程系统统一处理科学数据并对数据质量负责的原则，夯实科学研究的物质（数据）基础，减轻科学家处理数据的“技术”负担。四是建立科学研究指导咨询组织，为科学家申请数据、开展研究提供支持和帮助。五是建立公开、公平、公正的数据发布制度和协作竞争的研究机制，鼓励科学家自由申请，对科学家平等发布数据（图11），做出有特色的原创性成果。

5 结论与展望

“天问一号”任务首次在火星上留下中国印迹，为我国深空探测发展突破了一系列新技术，为工程管理丰富了新经验，为工程的研制实施建立了新范式，形成了我国独立自主开展行星探测的核心能力。目前，我国行星探测重大专项实施方案已经得到国家批准，在2030年前后，还将实施小行星探测、火星取样返回、木星系及行星际穿越探测等任务，将进一步打造我国开展太阳系天体探测的工程能力，培育和提升我国提出和解决重大科学问题的研究能力。“天问一号”任务的成功实施，为后续工程持续发展奠定了坚实的技术、管理、设施、人才和科学研究基础。参 考 文 献：

[1] 耿言，周继时，李莎，等.我国首次火星探测任务[J].深空探测学报，2018，5（5）：399-405.

[2] 李春来，刘建军，耿言，等.中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报，2018，5（5）：406-413.

[3] 饶炜，孙泽洲，孟林智，等.火星着陆探测任务关键环节技术途径分析[J].深空探测学报，2016，3（2）：121-128.

[4] 董捷，饶炜，王闯，等.国外火星探测典型失败案例分析与应对策略研究[J].航天器工程，2019，28（5）：122-129.

[5] 于登云，孙泽洲，孟林智，等.火星探测发展历程与未来展望[J].深空探测学报，2016，3（2）：108-113.

[6] Braun R D， Manning R M. Mars exploration entry， descent and landing challenges[A]. Aerospace Conference[C]. IEEE， 2006.

[7] Kosambe S. NASA’s exploration missions to the red planet[J]. Journal of Aircraft and Spacecraft Technology， 2019， 3： 154-171.

[8] 孙泽洲.深空探测技术[M].北京：北京理工大出版社，2018.

[9] 张荣桥.中国首次火星探测工程[M].北京：中国宇航出版社，2021.

[10] 栾恩杰.航天系统工程运行[M].北京：中国宇航出版社，2010.

[11] 王礼恒，周晓纪.航天工程知识体系与运用特性[J].工程研究，2019，11（5）：472-481.

3504500338270