火星探測關鍵設備，國家天文台70米天線反射體吊裝成功

據“中國科學院國家天文台”公眾號4月27日消息，在第五個“中國航天日”上，備受關注的中國行星探測任務被命名為“天問（Tianwen）系列”，首次火星探測任務被命名為“天問一號”。

根據計劃，2020年我國將實施首次火星探測任務，目標是通過一次發射任務，實現火星環繞和着陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，並對火星表面重點地區進行巡視勘查。

為了實現我國首次火星探測工程來自4億公里距離之遙微弱信號的數據接收，中國科學院國家天文台在天津武清站新建了70米高性能接收天線（GRAS-4），它是亞洲最大的單口徑全可動天線，是完成我國火星探測器科學數據接收任務的關鍵設備。

4月25日，由中國科學院國家天文台承建的首次火星探測工程地面應用系統在天津武清站成功實施完成了70天線反射體的整體吊裝。

問：為什麼會選擇火星做為中國行星探測的第一站？

李春來：火星是在太陽系中距離地球較近、自然環境與地球最為類似的行星之一，一直以來都是人類深空探測的熱點。從1961年以來至今，已實施的火星探測活動已經達到45次，但成功和部分成功的任務一共僅有22次。可以説，除月球之外，火星是最受關注的天體。

中國首次自主火星探測不僅在於探究火星生命的存在和演化過程等問題，更可以藉此瞭解地球的演化歷史和預測地球的未來變化趨勢，同時也為人類開闢新的生存空間尋找潛在的目標。探測和研究火星，最終目的是為了地球和人類，是為人類社會的可持續發展服務。

按照計劃，“天問一號”火星探測任務要一次性完成“繞、落、巡”三大任務，這也標誌着我國行星探測的大幕正式拉開。

問：火星探測數據的接收和此前探月數據的接收相比，難在哪？為什麼要建這個70米的大天線？

李春來：月球與地球的距離約為36～40萬千米，而火星距離地球為5600萬～4億千米，地火最遠距離約為地月距離的1000倍。發射信號的衰減與距離的平方成正比，相同發射功率的信號到達地球將非常微弱，而增大地面接收天線的口徑，也就是接收面積，是提高信號信噪比的基本途徑。

火星探測對數據接收任務來説是一項嚴峻的挑戰，從火星來的信號衰減非常厲害，信號非常弱，沒有這個大口徑的天線，就不能完成數據接收的任務。我們在最遠的時候，很可能還得加上密雲的50米天線和40米天線，以及昆明的40米天線，四個天線同時接收數據，然後進行信號合成，才能完成火星探測數據的接收任務。

問：請您簡要介紹下新建設的70米天線的基本情況，它有哪些技術亮點和“超能力”？

李春來：70米天線為輪軌式全可動卡塞格倫天線，工作頻段為S、X和Ku， 總重約2700噸，高72米，主反射面直徑70米，由16圈共1328塊高精度的實面板組成，面積相當於9個籃球場大小。

70米天線採用了很多新的技術，比如説傘性結構反射體支撐，這個反射體重、大，光反射體就達450噸，把這麼大的反射體撐起來，我們採用了整體吊裝的形式；再如，提高數據接收效率方面，我們採用了主副反射面修正賦型技術和多頻段組合設計技術，在提高天線效率（X頻段10度仰角以上天線效率達到60%）的同時降低了旁瓣電平，減少了系統噪聲，提高了抗干擾能力。70米天線於2018年10月開工建設，計劃於2020年竣工驗收。

GRAS-4天線建成後的效果圖

問：70米大天線於2018年開工建設至今，最大的挑戰是什麼？如何解決的？

李春來：口徑大、工期緊，從開工到驗收在短短不到兩年內完成，對於全國甚至亞洲最大的全可動天線來説是不可想象的。

為了解決好這些問題，我們結合大天線施工的關鍵技術，建立了施工技術和進度管理緊密結合的管理體系，將天線基礎建設與天線研製並行工作：合理規劃現場安裝和集成的計劃安排，調整天線現場施工工藝，通過並行工藝儘可能縮短現場安裝時間；天線反射體採用整體吊裝方案，與天線座架並行施工；俯仰框架地面拼裝、整體吊裝；天線伺服設備提前進場，與天線結構後期同步施工。

問：整體吊裝完成，意味着火星數據接收天線進展到哪一步了？接下來還要做哪些工作？

李春來：整體吊裝完成意味着天線主題結構的基本完成。但吊裝完成後還有大量的工作需要做，後續將進一步完成外圍6圈剩餘面板的鋪設，以及伺服系統、饋源網絡和製冷接收機等設備的安裝；還要進行一定時間的系統調試、校準和試運行，才能具備執行任務的能力。

預計到2020年10月，70米大天線能完全具備火星探測的數據接收能力。

GRAS-4天線與火星探測器數傳通信示意圖

問：70米大天線除能接收火星探測的數據外，是否還能接收其他行星或其他深空探測的數據？對未來我國深空探測有怎樣的意義？

李春來：可以，天線是通用設備，一個70米天線相當於3個40米天線，但如果頻段或數據模式不同，則需要安裝相應頻段的接收機和解調設備。

70米天線建成後，將成為亞洲最大的單口徑全可動天線，能夠大幅度提高我國深空探測下行數據的接收能力，為完成我國首次火星探測工程任務以及後續的小行星、彗星等深空探測提供堅實基礎。