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GRAS-4天線建成后的效果圖 國(guó)家天文臺(tái)供圖

在剛剛過(guò)去的第五個(gè)“中國(guó)航天日”，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”。“天問(wèn)一號(hào)”屆時(shí)將與地球相距4億公里之遙，為保障探測(cè)信號(hào)的接收，4月25日，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)建設(shè)的70米天線（以下簡(jiǎn)稱GRAS-4天線）高性能接收系統(tǒng)在天津武清成功進(jìn)行了反射體的整體吊裝。該項(xiàng)目建成后將成為亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線，是完成火星探測(cè)器科學(xué)數(shù)據(jù)接收任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備。

我國(guó)為何會(huì)選擇火星作為行星探測(cè)的第一站？70米天線有何獨(dú)特之處？將發(fā)揮怎樣的作用？中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、中國(guó)首次火星探測(cè)工程副總設(shè)計(jì)師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來(lái)作出了解答。

欲探火星須先解遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸難題

根據(jù)計(jì)劃，2020年我國(guó)將實(shí)施首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”，目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”三大任務(wù)，開(kāi)展火星全球性和綜合性探測(cè)，并對(duì)火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行巡視勘查，這也標(biāo)志著我國(guó)行星探測(cè)的大幕正式拉開(kāi)。

為何選擇火星？李春來(lái)表示，火星是在太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來(lái)都是人類深空探測(cè)的熱點(diǎn)。從1961年以來(lái)至今，已實(shí)施的火星探測(cè)活動(dòng)已經(jīng)達(dá)到45次，但成功和部分成功的任務(wù)一共僅有22次。可以說(shuō)，除月球之外，火星是最受關(guān)注的天體。

中國(guó)首次自主火星探測(cè)不僅在于探究火星生命的存在和演化過(guò)程等問(wèn)題，更可以借此了解地球的演化歷史和預(yù)測(cè)地球的未來(lái)變化趨勢(shì)，同時(shí)也為人類開(kāi)辟新的生存空間尋找潛在的目標(biāo)。探測(cè)和研究火星，最終目的是為了地球和人類，是為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

然而，月球與地球的距離約為36～40萬(wàn)千米，而火星距離地球?yàn)?600萬(wàn)～4億千米，地火最遠(yuǎn)距離約為地月距離的1000倍。“發(fā)射信號(hào)的衰減與距離成正比，相同發(fā)射功率的信號(hào)到達(dá)地球?qū)⒎浅Ｎ⑷酰龃蟮孛娼邮仗炀€的口徑，也就是接收面積，是提高信號(hào)信噪比的基本途徑，這正是修建GRAS-4天線的原因。”李春來(lái)說(shuō)。

多天線組陣模式保障信號(hào)“捕捉”

“火星探測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)接收任務(wù)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，從火星來(lái)的信號(hào)衰減非常厲害，信號(hào)非常弱，沒(méi)有這個(gè)大口徑的天線，就不能完成數(shù)據(jù)接收的任務(wù)。”李春來(lái)介紹，與探月任務(wù)不同的是，本次探測(cè)火星任務(wù)中，數(shù)據(jù)接收模式由單天線接收改為多天線組陣模式。

按照計(jì)劃，GRAS-4天線將與北京密云站GRAS-1（50米口徑）和GRAS-3（40米口徑）、云南昆明站GRAS-2（40米口徑）等天線聯(lián)合觀測(cè)，同時(shí)接收數(shù)據(jù)，以達(dá)到最大的接收性能指標(biāo)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，從而提高星地鏈路傳輸碼速率，為我國(guó)獲得更多的科學(xué)數(shù)據(jù)和更有顯示度的科學(xué)成果提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

了解到，本次吊裝成功的GRAS-4天線總重約2700噸，相當(dāng)于3個(gè)40米天線，高72米，主反射面直徑70米，由16圈共1328塊高精度的實(shí)面板組成，面積相當(dāng)于9個(gè)籃球場(chǎng)大小。它采用了很多新的技術(shù)，如傘性結(jié)構(gòu)反射體支撐、主副反射面修正賦型技術(shù)和多頻段組合設(shè)計(jì)技術(shù)，在提高天線效率的同時(shí)減少了系統(tǒng)噪聲，提高了抗干擾能力，除能接收火星探測(cè)的數(shù)據(jù)外，還能接收其他行星或其他深空探測(cè)的數(shù)據(jù)。

將成為亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線

按照計(jì)劃，GRAS-4天線于2018年10月開(kāi)工建設(shè)，計(jì)劃于2020年竣工驗(yàn)收。李春來(lái)介紹，天線建成后，將成為亞洲最大的單口徑全可動(dòng)天線，能夠大幅度提高我國(guó)深空探測(cè)下行數(shù)據(jù)的接收能力，為完成我國(guó)首次火星探測(cè)工程任務(wù)以及后續(xù)的小行星、彗星等深空探測(cè)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“口徑大、工期緊，從開(kāi)工到驗(yàn)收在短短不到兩年內(nèi)完成，對(duì)于全國(guó)甚至亞洲最大的全可動(dòng)天線來(lái)說(shuō)是不可想象的。”李春來(lái)說(shuō)，為保證工程和質(zhì)量，技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合大天線施工的關(guān)鍵技術(shù)，建立了施工技術(shù)和進(jìn)度管理緊密結(jié)合的管理體系，將天線基礎(chǔ)建設(shè)與天線研制并行工作，通過(guò)并行工藝盡可能縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間；天線反射體則采用整體吊裝方案，與天線座架并行施工，天線伺服設(shè)備也提前進(jìn)場(chǎng)，與天線結(jié)構(gòu)后期同步施工。

本次整體吊裝完成，也意味著天線主體結(jié)構(gòu)的基本完成。但吊裝完成后，后續(xù)將進(jìn)一步完成外圍6圈剩余面板的鋪設(shè)，以及伺服系統(tǒng)、饋源網(wǎng)絡(luò)和制冷接收機(jī)等設(shè)備的安裝，還要進(jìn)行一定時(shí)間的系統(tǒng)調(diào)試、校準(zhǔn)和試運(yùn)行，才能具備執(zhí)行任務(wù)的能力。“預(yù)計(jì)到今年10月，GRAS-4天線將完全具備火星探測(cè)的數(shù)據(jù)接收能力。”李春來(lái)說(shuō)。

【責(zé)任編輯：趙藝涵】