天问一号火星环绕器总体主任设计师：未来将把火星样品带回地球

中国航天科技集团有限公司第八研究院五〇九所火星环绕器总体主任设计师牛俊坡近日接受记者专访，讲述他所经历的“天问探火”故事。他说，国家后续将规划实施火星取样返回任务，将把火星表面样品带回地球。
作为中国首次火星探测任务天问一号探测器的核心分器——火星环绕器的总体主任设计师，牛俊坡及其所在团队承担了火星环绕器抓总研制任务。牛俊坡自2010年开始参与火星探测论证阶段工作。2016年天问一号工程立项后，他便全身心投入到环绕器系统设计、技术攻关、系统测试以及当前的在轨飞行控制工作。
在天问一号获取第一手火星科学数据之前，中国航天人对火星的了解大多源自国外。在牛俊坡看来，中国人探测火星要面临的首个挑战，是环境要素的不确知。
“我们掌握的数据主要来源于美国、俄罗斯等发布的探测数据，但这些数据是否准确？能否作为工程研制的输入条件？我们心里是没底的。”他说，为了抵消这些不确定因素带来的风险，在设计和研制过程中，科研人员采取了提高系统设计的可靠性和冗余、把已知数据拉偏做测试、对产品提出更高要求等方法来解决问题。
除了对环境的不确知，远距离“长途通信”也是一大难题。
地球到火星的距离最远达到4亿公里，是地球到月球距离的1000倍。牛俊坡告诉记者，天问一号探测器主要由环绕器和着陆巡视器(含“祝融号”火星车)两部分组成，在停泊轨道环绕器实施降轨机动，将“祝融号”分离后会继续上升至中继轨道，变身成为通信器，为“祝融号”与地球之间建立起中继通信。由于地面站与探测器间通信主要是依靠无线电波实现，因此距离越远，接收到的信号就越微弱。另外，4亿公里的超远距离还会导致通信时延变长。
“探测器和地球的距离是在变化的，最近的时候大概是5500万公里，最远可达4亿公里，所以最长的通讯延时长达22分钟。”牛俊坡说，通信延时对控制探测器带来了很大影响和风险。如果出现太阳位于地球和探测器之间的情况，还会造成长时间的通信中断，地面看不到探测器的运行，探测器也接收不到地面指令。
实际上，这些看似困难的问题早在天问一号探测器发射之前就被科学家们充分考虑到了。牛俊坡说，探测器早在设计阶段就已加入自主功能，在通信时延和通信中断的情况下，探测器可以不完全依赖于地面操作和控制，自主完成在轨运行。
纵观世界航天史，天问一号不仅在火星上首次留下中国人的印迹，还首次成功实现了通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三大目标的壮举。
据中国官方消息，截至7月8日，设计寿命为3个火星月、相当于约92个地球日的“祝融号”火星车已在火星表面工作54个火星日，导航地形相机每日对沿途地貌进行成像，图中可见火星岩石的纹理特征和火星车车辙等。截至7月11日，“祝融号”火星车累计行驶410.025米，工况正常。
牛俊坡表示，“祝融号”设计寿命已经过半，总体运行状况良好。目前，“祝融号”一天能完成预设三天的工作量。
他说，“祝融号”原本设计是三天为一个周期，包括对周围的环境感知、对图像和数据进行探测、路线规划并移动。但在火星着陆后，“祝融号”在通信能力和移动速度等方面都优于预期，在一天内就能完成对感知、探测、移动。
由于没有设计返回，“祝融号”在设计寿命结束后，还将超寿命服役一段时间。“祝融号”本身就有直接对地通信链路，所以即使环绕器无法提供中继支持，“祝融号”还能有其他作为。牛俊坡坦言：”我们未来的工作，还将规划并实施取样返回任务，实现把火星表面样品带回地球。”
“就像此前嫦娥五号能带回月壤一样，让大家也能看到来自火星表面的物质。”牛俊坡说。
牛俊坡告诉记者，奋战在航天一线的工作人员年轻面孔占比很高，青年人充满激情、有活力、富有创造力。航天系统有经验丰富的前辈指导把关、成熟稳重的同事牵头带队、干劲十足的青年人一线冲锋，是一个朝气蓬勃、能打硬仗的集体。
谈及自身从事的航天事业，牛俊坡说：“选择这个行业，就要始终保持对工作的兴趣和热情，坚守初心，保持责任心，勇于担当，这样才能把工作做好。”

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