砥砺八载，圆梦火星
两千多年前，伟大诗人屈原在楚南沅湘之地仰望星空，将万千愁绪化作一首“千古万古至奇之作”——《天问》。如今，中国航天人秉承屈原的求索精神，怀揣追求真理的坚韧与执着，将天问一号送入茫茫太空，终抵火星并取得了圆满成功，在中国行星探测征程中迈出崭新的第一步，成为我国航天事业又一具有里程碑意义的进展，在世界航天发展史上写下浓墨重彩的一笔。
天问一号通过一次任务成功实现了火星环绕、着陆和巡视三大目标。其中，从大气进入点（距离火星参考表面约km）开始到着陆火星表面结束的进入下降着陆（EDL）过程最为关键而惊心动魄。火星大气稀薄（大气密度不到地球的1%）、气候复杂多变（尘暴、极寒温度等）、表面地形崎岖（撞击坑、石块等）以及与地球的大通信延迟（单程十几分钟）给EDL过程的任务设计与验证带来了极大挑战。
天问一号作为我国首次火星探测任务，从年启动立项论证，到年正式立项，再到年发射和年成功着陆并巡视，共历时8年。研制团队针对火星EDL过程面临的任务复杂、环境不确定性强、关键环节多且不可逆等难题，相继突破了多约束进入下降着陆轨迹优化与自适应制导、高动态环境下的高容错着陆自主导航、大干扰下的着陆鲁棒控制、大冲击环境下的系统自主管理与重构、高置信度评估验证等一系列关键技术。
本专栏即是研制团队针对EDL过程的部分研制成果和经验的总结。
■《天问一号着陆巡视器进入舱GNC系统设计与实现》给出了火星进入下降着陆任务最核心关键系统—进入舱GNC系统的总体设计与实现情况，并介绍了系统的地面试验验证情况和在轨飞行结果。
■《天问一号火星探测器EDL过程自主导航技术》针对火星EDL过程的大动态、强不确定性环境给自主导航带来的挑战，提出了天问一号探测器高容错强自主着陆导航方案与算法，并给出了实际在轨飞行的导航结果和评估。
■《火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证》针对火星着陆任务面临的技术挑战，介绍了天问一号及其他典型火星着陆任务4个关键飞行阶段的跨学科交叉设计过程与验证方法。
■《天问一号探测器高动态着陆惯导系统设计与试验》介绍了为应对火星着陆过程稀薄大气、超音速开伞会导致的探测器剧烈晃动问题，而设计研制的天问一号高动态着陆惯导系统及其火箭弹高空开伞试验验证情况。
■《天问一号着陆器大底分离触发条件设计方法》分析了气动特性、着陆器姿态摆动对分离后大底相对运动趋势的影响，给出了大底可安全分离的马赫数和角速度范围条件。
■《天问一号探测器火星着陆自主避障技术设计与验证》介绍了天问一号火星着陆过程中粗避障与伞-背罩组合体规避的协同控制、激光三维配以双目立体视觉的精避障等自主避障设计以及地面试验验证。
■《天问一号着陆器双目视觉避障技术》介绍了天问一号着陆避障过程中的双目立体视觉算法设计与流程，并通过地面试验和在轨飞行数据验证了算法精度与有效性。
■《天问一号探测器软着陆触火关机策略研究》针对天问一号着陆过程中的复杂环境，提出了一种高容错触火关机策略，并通过外场试验和在轨结果验证了策略的有效性。
■《火星大气进入轨迹伪谱凸优化设计方法》针对火星大气进入轨迹优化需求，提出了一种结合Legendre伪谱离散格式和序列凸优化的大气进入轨迹末端高度最大化问题求解方法。
■《天问一号着陆器大底分离安全性分析与验证》利用分离动力学模型和近距离扰动气动模型分析了天问一号着陆器大底分离安全性，给出了大底分离条件，并通过数学仿真验证了有效性。
■《天问一号着陆器EDL过程建模与仿真》建立了包含开伞、大底与背罩分离的火星大气进入和伞降过程高保真仿真模型，数学仿真分析了天问一号着陆器进入与下降过程的动态特性。
心之所向，身之所往，终至所归。这里特别感谢论文作者、审稿专家和编辑部同志的辛勤工作，正是一批批关心、支持和参与中国航天发展的科研人员携手同心，才把光荣与梦想绘成了浩瀚星空中最炫美的图画。如今，天问一号已在火星上留下了中国人的印记，也使我国成为世界上第二个成功着陆并巡视火星的国家。但中国航天人探索浩瀚宇宙的步伐不会停止，他们必将在星辰大海的征程上实现更多梦想，创造更多荣光。
原文刊载于《宇航学报》年，43卷，1期
天问一号探测器专栏
特邀主编：孙泽洲，王晓磊
孙泽洲，中国空间技术研究院总体设计部型号总设计师，研究员。曾获国家科学技术进步特等奖2项、一等奖1项，国防科学技术特等奖3项以及全国劳动模范等多项荣誉，是我国航天器总体设计和测控通信技术专家，长期致力于深空探测领域研究和工程实践，先后担任嫦娥三号、四号探测器以及天问一号火星探测器系统总设计师。
来源：《宇航学报》编辑部
预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇