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西湖公开课丨“探火”总设计师张荣桥自述四个难忘瞬间
湖心讲堂
张弛 2021年07月19日
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公共事务部

2016年1月11日,习近平总书记亲自批准工程立项实施;

2020年4月5日,进驻海南发射场;

2020年7月23日12时41分05秒,长征五号遥四火箭准时点火升空;

2021年2月10日,“天问一号”探测器成功进入环火轨道;

2021年5月15日,成功着陆火星;

2021年5月22日,“祝融号”火星车驶达火星表面;

2021年5月26日,火星车对着陆平台成像传回地球;

2021年6月11日,国家航天局对外发布了着陆火星首批科学影像图……

7月10日,湖心讲堂2021夏季公开课如约而至,主讲人之一,首次火星探测任务工程总设计师张荣桥,在现场回忆起“天问一号”探测器发射过程中的重要节点。他说:“鲜红方正的五星红旗闪耀在火星,在火星大地上留下了中国印记,这些重要的节点历历在目,仿佛就在昨天。”

“天问一号”成功着陆火星,这是上千家单位、上万名科研工作者为之奋斗8年的结果。现场,张荣桥以4个小故事——一条短信、一个电话、一段视频,一位记者的问候,一句指挥长的感叹,一个无声的拥抱,和我们分享了“天问一号”开启中国深空探测新征程背后的故事。


第一个故事:一条短信,一个电话和一段视频

2020年7月23日,在海南文昌航天发射中心,当长征五号遥四运载火箭发射成功后,张荣桥收到了许多祝贺短信和电话,其中的一条短信和一个电话令他记忆犹新。

“两弹一星”功勋奖章获得者、共和国勋章获得者孙家栋院士给张荣桥发了一条短信:祝贺成功。国家航天局原局长、探月工程首任总指挥栾恩杰院士给张荣桥打了个电话:非常高兴。

短短四字,寥寥数语,饱含他们对这一次重大发射任务的牵挂。

就在今年5月15日,“天问一号”探测器成功着陆火星之后,张荣桥同样收到很多祝贺短信和电话,其中一段视频出乎他的意料。“两弹一星”功勋奖章获得者王希季院士,通过家人发了一段视频,这位百岁老人颤动的声音和热情的鼓励,令他感动万分。

通过这一条短信、一个电话、一个视频,张荣桥想说,功之成非成于成之日。

首次火星探测任务的成功离不开一大批中国航天专家的倡导和推动。公开课现场,张荣桥一一报来九位院士的名字:徐匡迪、孙家栋、王礼恒、张履谦、戚发轫、龙乐豪、周济、沈荣骏、王永志。这九位院士曾于2010年和2014年,两次致信中央领导,建议开展深空探测综合论证和深化论证。正是这些专家的倡导和推动,为中央决策实施首次火星探测任务提供了重要的支撑。

除了以上这些专家,航天业界还有一大批像叶培建院士、吴伟仁院士这样的航天专家,从倡导推动立项到方案设计乃至对研制试验的全过程,进行咨询、把关。

在这些专家的倡导推动之下,历时八年,到2018年,国家航天局形成了我国未来行星探测发展路线图。首次火星探测任务就是行星探测重大工程整体规划中的第一次任务。

这8年时间的推动,令张荣桥感触颇深:“今天的成功,第一,我们业界战略专家‘功成不必在我’的精神境界和‘下好先手棋’的前瞻意识是基础;第二,国家航天局‘一张蓝图绘到底’的钉钉子精神和‘功成必定有我’的历史担当是成功的关键;第三,最根本是党中央、习近平总书记的英明决策和正确领导。”


第二个故事:一位记者的问候

同样在去年,长征五号遥四运载火箭发射成功后,现场记者跟张荣桥打招呼:祝贺您,张总。

今年,“天问一号”成功环绕火星以及成功着陆火星时,同样的问候出现在北京航天飞行控制中心。同样的问候,张荣桥同样的回答:此刻最应该祝贺的,是我们伟大的祖国。

第一,这是中国人第一次真正走出地月系,进入到行星际空间。人类飞天探索的基本规律是,由近及远,先无人后有人。中国航天同样遵循这样的规律,1970年4月24号,“东方红一号”成功发射;2003年10月15号,杨利伟绕地飞行;2007年10月24号,嫦娥一号成功发射。这些都是在地月系内的活动,走出地月系是中国航天几代人共同的梦想。走出地月系,首先把目标瞄准当今世界深空探测的重点——火星。

第二,因为火星是我们近邻,并且火星与地球的环境最为接近,这最使得火星探测的科学意义巨大,有助于回答,“今天的地球是火星的未来?”或者“今天的火星是地球的未来?”这些重大的科学问题。

第三,如何去火星?这是论证过程当中研究最多的问题。一开始选择的是相对保守的、风险较小的环绕方案,但是业内专家对仅仅实现环绕心有不甘。中国深空探测起步晚,与国外存在较大差距,在这种情况下,专家们更多考虑如何带动中国航天技术发展,如何带动火星科学研究,提升国家综合实力,要有所担当。综合分析各种因素,专家组达成共识,制定了“一步实现绕、着、巡,二步完成采样回”的火星探测总体发展思路。首次任务即挑战火星环绕、着陆、巡视三大目标,难度加大,风险加大,压力落在了研制人员身上。但张荣桥认为,今天回过头来看,这条路线的选择无疑是正确的。第一,总体上节省了经费。第二,技术上实现了跨越。第三,在短时间内在本领域跨越到国际先进水平,使中国成为世界上首个通过一次任务就完成了环绕、着陆和巡视探测的国家,成为世界上第二个具备在火星开展巡视探测能力的国家。

第四,6年前定下的发射时刻,如约而行。受天体运行规律的约束,按照当今的技术,每隔26个月才有一次机会能去火星,每个机会大约持续半个月,每天大约30分钟,如果错过这个机会,就要再等26个月。“天问一号“任务系统极其复杂,要准时发射,海陆空天各种设施设备按时达到任务状态,散布全国各地乃至大洋深处数百单位数千人员按时就位,缺一不可。临近发射,突发的疫情,增加了新的变数。在伟大航天精神的激励和鼓舞下,有关单位和部门通力合作、密切协同,每个节点按时达成,克服了疫情带来的各种困难,分秒不差地实现了八年前许下的诺言。这不是个人的力量,不是一个部门、一个单位的力量,这是国家的力量。

所以,张荣桥告诉记者:此刻,应该祝贺我们伟大的祖国。


第三个故事:指挥长的一句感叹

这个故事还是发生在文昌卫星发射中心,发射场区副指挥长毛万标同志在发射成功之后,拉着张荣桥的手,深情地说:从来没有像今天这样渴望成功。

张荣桥听完之后思索很久,作为一个指挥部的成员,每次发射成功都是自己的目标,为什么今天如此渴望成功。

2020年是火星探测的大年。原本有4个国家计划前往火星,欧洲航天局和俄罗斯的联合火星探测项目,由于技术原因和疫情影响,推迟到下一个窗口期发射。2020年7月20日阿联酋发射成功,美国30日发射成功,中国在23日发射,在这样一个场景之下,这次发射任务绝不仅仅是一次简单的航天任务,而是国家的荣誉之战。

另一方面,这一次的发射确实非同寻常。其一,这是长征五号火箭首次执应用型发射,如果失败,不单单影响本次任务,后续的嫦娥五号月球采样返回,以及现在正在飞行的载人空间站等国家重大任务,都会受到影响。其二,海南文昌发射场有其优势,因为更靠近赤道,可以利用地球自转,使探测器获得更大的初始速度,但是与内地发射场相比,文昌发射场易受台风的影响。如果在难得的15天发射窗口期遇上一次台风,这次任务大概率会取消,需要再等26个月。

所以,不难理解,这次的发射不论对于航天工程师,对于中国航天事业,乃至对于中国而言,都意义重大。


第四个故事:无声的拥抱

5月15日,“天问一号“成功着陆火星,标志着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。收到成功着陆的信号后,“天问一号”探测器系统总师孙泽洲和总指挥赫荣伟深情相拥。

“天问一号”探测器系统总师孙泽洲和总指挥赫荣伟拥抱在一起。(来源:国家航天局)


因为成功太不容易了,一次实现“绕、着、巡”太难了。

第一,固有风险。自从1960年苏联发射第一次火星探测任务至今,人类一共开展了46次火星探测任务(不包括中国的“天问一号”,以下同),在这46次任务当中,成功和部分成功的只有24次。着陆更是至今为止难度最大的任务,国外干了21次,成功只有9次,成功率不到一半。火星探测的固有风险,对于中国而言,是同样的。

第二,想要一次实现“绕、着、巡”,“天问一号“探测器的结构势必极其复杂,从发射到火星车走到火星表面就有10多次关键的解锁、分离动作,240多枚火工品要起爆,每一个环节只有一次机会,一次不成,满盘皆输。

第三,飞行时间长且飞行过程非常复杂。探测器发射之后历经202天才到达火星,在这个过程当中,需要不断对轨道进行修正。再经过93天的环绕之后,着陆火星是难度最大的环节。在着陆前6小时,探测器降低轨道,为着陆巡视器建立初始状态;着陆前3小时,在距离火星大约1.8万公里高度上,环绕器与着陆巡视器分离;之后,环绕器需要立刻调整回到原来的环绕轨道,着陆巡视器经过大约三个小时左右的飞行,在距离火星表面大约125公里左右高度,以4.8公里/秒的速度进入火星大气。

除了探测器本身的难度,着陆点选择也十分关键。选择中纬度地区可以获得比较好的光照和温度;选择海拔低的地方可以使探测器滞空时间更长,可控高度更高;还要避开山区,选择在火星尘暴发生较少的地方。因此,这次“天问一号”探测器选择着陆在火星乌托邦平原的南部。

此外,“天问一号“探测器飞行的距离十分远,这会造成两个现象,一个是信号的自然衰减越来越大,二是时延越来越大。为解决信号自然衰减的问题,工程师们在天津武清建设了亚洲最大的可转动单体天线,用以接受从火星传回的微弱信号。探测器到达火星之后,时延达11分钟;着陆火星时,时延达到18分钟。那么远的距离,只能依靠探测器自主管理或自主控制。同样,距离太阳也更远,会带来能源问题。探测器需要更多的电力来提供更大的发射功率,同时需要更大的电力来支持在更恶劣的环境条件下生存,可获取的太阳能却只有地球的43%。

尽管相比其它行星,火星环境与地球最为接近,但火星的自然环境,包括电、磁、力、热、气、形、尘等,与地球、月球差异很大,就探测器的设计而言,如何适应这样的极端环境,也是工程的难点,要考虑到许多风险和不确定因素。

张荣桥回顾了“天问一号”探测器设计、发射、着陆过程中的困难,这是解释为什么无言相拥的最好答案。

八年前,航天人承诺要实现中国的探测器在火星巡视的梦想。今年5月22日,“祝融号“火星车踏上了火星,走出了0.522米的第一步,兑现了自己的诺言,战胜了挑战。

从事“天问一号“这项工作,尽管风险挑战巨大,但也充满使命和荣光。对于“天问一号”取得的圆满成功,张荣桥表示:

八年奋斗,从论证立项到研制试验,从发射到运行控制,每一个环节、每一个过程一丝不苟,这是人努力,是我们成功的基础。同时,我们在难得的发射窗口期遇到了难得的好天气,而且着陆火星的时候,火星的天气也很好,我们叫做天帮忙。人努力、天帮忙,我们清醒地认识到,成功的必然当中也有幸运的成份。第二点,一定要实事求是,正视自己的水平。跟自己比,每次都有所进步,积小成于大成。与先进国家比,我们还需要继续努力、持续进步。