《中国经济周刊》 记者  贾璇|北京报道

5月15日7时18分，在距离地球3.2亿千米之外，我国首次火星探测任务天问一号探测器成功实现火星表面软着陆，降落在预选着陆区——乌托邦平原南部。19日，以中国火神“祝融”命名的火星车传回了第一批火星照片，图像中火星表面纹理清晰，地貌信息丰富。

5月22日10时40分，祝融号火星车安全驶离着陆平台。为了纪念这一天，火星车代表中国在火星行驶了0.522米。中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥表示：“尽管只移动了0.522米，但标志着我们绕、着、巡工程的目标圆满达成。”

接下来，火星车将开始巡视探测。按计划，火星车将开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测，通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达等6台载荷，对巡视区开展详细探测。

据介绍，此次火星探测的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等。

我国第一次火星探测就要完成“绕”“落”“巡”三大任务，中国航天科技集团五院、天问一号探测器总指挥总设计师顾问叶培建对此表示：“我们第一次任务就要去探火星、绕火星探测、又要着陆，这是个创新。全世界还没有一个国家一次任务完成这两步的，我们一次就完成了。”

中国航天科工三院33 所技术人员在洁净间装配加速度计。

 中国航天科工三院33 所技术人员检查加速度计组件的加工质量。

精密元器件摆动范围仅为发丝粗细的三分之一

相对于月球，火星和地球之间的距离更远，最远时可达约4亿公里，这对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了更高的要求。目前，在人类对火星实施的44次探测任务中，仅有24次成功。

曾有人比喻称，要让探测器在火星精准着陆，相当于从法国巴黎击出高尔夫球，落在日本东京的一个洞里。要执行难度如此高的任务，地面能够随时了解飞行器的状态，至关重要。

“石英挠性加速度计可以为飞行器的制导导航与控制分系统（GNC），随时随地提供加速度数据，实时感知飞行器在运动过程中的姿态信息。”中国航天科工三院33所、石英挠性加速度计研制工作负责人姜福灏对《中国经济周刊》介绍。

据悉，此次在火星着陆巡视器和祝融火星车上，均搭载了石英挠性加速度计，测量精度可达20微克，与此前在神舟系列飞船、探月工程等任务中的产品属于同一系列。

“石英这种材质很常见，很多手表里都有，关键在于加工工艺。” 据姜福灏介绍，加速计里有一块石英圆片，经过特殊的“雕刻”方式，把圆片中心和四周剥离开，只留下极少连接，相关联的部分被称为“梁”，最薄的“梁”仅有头发丝粗细的三分之一。这样加工后的石英圆片可以在特定轴向任意摆动。当飞行器发生速度变化时，可以通过摆片的摆动程度测量其加速度。

在模拟火星环境的测试中，当温度降到零下100摄氏度时，加速度计依旧可以提供测量数据，这一标准远超其正常的工作温度。

制作好的摆片，要在其上下两面安装经过精密绕制的线圈，共有6层200多圈的铜线环绕在金属环上。“加速度计是高度对称的结构，这也就意味着线圈的绕制必须近乎完美，不能乱，不能斜。上下两个线圈重量之差不能超过0.3毫克，相当于一根3厘米长的头发丝的重量。”姜福灏说。

零下130℃～1000℃，自主研发材料经历“冰火两重天”考验

因探测环境差异巨大，天问一号需要接受“冰火两重天”的温度考验。据介绍，在火星着陆阶段，发动机产生的热量可致周围温度超过1000摄氏度；在火星巡视阶段，火星车的工作环境温度仅仅只有零下130摄氏度。

据《中国经济周刊》记者了解，祝融火星车上采用了新型隔热保温材料——纳米气凝胶。除了应对极热极寒的考验，纳米气凝胶的超轻特性还极大程度减轻了火星车的重量负担。

据中国航天科工三院306所副所长张昊对《中国经济周刊》介绍，纳米气凝胶是由纳米尺度固体骨架构成的三维立体网络，比空气还轻，是目前世界上最轻的固体。此外，其导热系数仅为静止空气的一半，也是导热系数最低的固体。

事实上，探火任务并不是纳米气凝胶的“首战”。2005年，306所自主投入该项技术研发，成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。

虽然有足够的经验积累，但天问一号执行任务时所面对的太空环境，还是给306所气凝胶团队出了难题。

“火星着陆时发动机产生的热量使周围的温度超过1000℃，这超出了当时世界上气凝胶材料的耐温极限。”张昊说。为突破技术难关，团队对天问一号开发出了两种气凝胶材料，先后进行了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项的试验测试。

据张昊介绍，此次采用的气凝胶材料经过技术升级，具有超强的隔热性能。厚度约10毫米的隔热组件可在整个着陆过程中，将发动机周边上千度的高温阻隔到可接受的范围，就像消防员身上穿的防火服一样。现场演示中，工作人员将一朵鲜花放在薄薄的气凝胶板上，用1200摄氏度的火焰灼烧气凝胶板底部，鲜花完好无缺。

通过在火星车表面铺设大面积的气凝胶板，则像给登山运动员穿上防寒服，阻隔了环境的超低温。“这种气凝胶的密度极低，达到15毫克每立方厘米，即在同等体积下，重量只有钢的1/500，铝的1/180，水的1/60。”张昊如是告诉《中国经济周刊》记者。

据了解，306所研制的气凝胶产品已经在二十几型航天装备上获得了应用，研究成果先后获得国家科技进步奖、国防技术发明奖和中国专利金奖等。气凝胶材料的应用领域也逐渐拓展开来。例如作为长征五号系列火箭的发动机燃气系统的隔热材料；被制成真空隔热板用在“天舟一号”“天舟二号”货运飞船的低温锁柜中。

（本文刊发于《中国经济周刊》2021年第10期）

2021年第10期《中国经济周刊》封面