隨著2月10日晚上天問一號火星探測器成功被火星引力捕獲、繞火星軌道飛行，中國航天科技集團(tuán)上海航天技術(shù)研究院結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)終于長舒了一口氣。歷經(jīng)十年攻關(guān)，憑借完全由我國自主研發(fā)的結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)造歷史的環(huán)繞器結(jié)構(gòu)，也揭開了其神秘面紗。
為了克服地球的強(qiáng)大引力飛向火星，由環(huán)繞器和著陸巡視器組成的天問一號探測器總重量不能超過5000公斤，但為了到達(dá)遙遠(yuǎn)的火星，又至少需要攜帶2500公斤的推進(jìn)劑。除去著陸巡視器占去的1300公斤重量份額，環(huán)繞器自身重量被嚴(yán)格限制在1200公斤之內(nèi)。
這1200公斤包含結(jié)構(gòu)和其他各種設(shè)備的重量，還要兼顧2.5米可展開驅(qū)動天線、太陽電池陣、高分辨率相機(jī)等多種大體積設(shè)備的安裝要求。如何在重量有限的情況下實(shí)現(xiàn)高效的承載和設(shè)備安裝，成為上海航天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)面前的一只攔路虎。
“對于航天器來說，質(zhì)心（物體質(zhì)量集中點(diǎn)）越低、重量越輕，發(fā)射成本就越小，所以結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要盡量降低質(zhì)心，優(yōu)化重量，同時(shí)兼顧設(shè)備安裝需求?！杯h(huán)繞器結(jié)構(gòu)主任設(shè)計(jì)師王建煒告訴記者，圍繞著這個核心原則，結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)先后開展了多輪結(jié)構(gòu)構(gòu)型論證。
經(jīng)過一輪又一輪的反復(fù)論證，最終結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“中心承力錐筒+內(nèi)部貯箱下探+外部六面柱體”的深空探測結(jié)構(gòu)構(gòu)型。該創(chuàng)新構(gòu)型在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的應(yīng)用尚屬首次，它可以完美實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)——著陸巡視器通過中心承力錐筒直接傳遞力，傳力路徑簡單，增加著陸巡視器的結(jié)構(gòu)可靠性；充分利用火箭支撐筒的“富余”空間，內(nèi)部大容積貯箱并聯(lián)式下探布局，顯著降低探測器質(zhì)心高度，使環(huán)繞器在發(fā)射段受載相對減少，更有利于控制環(huán)繞器重量；外部六面柱體則能為2.5米天線、太陽電池陣和高分辨率相機(jī)等大體積設(shè)備提供充足的安裝空間。
對于天問一號而言，多一克的重量，付出的發(fā)射成本遠(yuǎn)超一克黃金。
盡管創(chuàng)新構(gòu)型為“減重”奠定了重要基礎(chǔ)，然而，團(tuán)隊(duì)距離苛刻的目標(biāo)重量要求還有著巨大差距。為了繼續(xù)“減重”，結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)又把目光投向重量最大的結(jié)構(gòu)核心部件——中心承力筒。
“傳統(tǒng)的中心承力筒，筒體結(jié)構(gòu)普遍采用碳纖維蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，受力較大、載荷復(fù)雜的上下端框則采用鋁合金材料，整體重量較大?！苯Y(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)孔祥宏堅(jiān)信，要繼續(xù)減重，就必須從結(jié)構(gòu)核心部件這一重點(diǎn)打破傳統(tǒng)。
一個大膽的設(shè)想逐漸浮出水面——固有上端框采用相比傳統(tǒng)金屬材料更加輕質(zhì)的全復(fù)合材料，下端框采用整體復(fù)合材料+局部金屬鑲塊的設(shè)計(jì)是否可行？嚴(yán)格而精細(xì)的理論計(jì)算顯示，該方案能夠使環(huán)繞器整體結(jié)構(gòu)相比采用傳統(tǒng)構(gòu)型的方案減重30%以上。然而，這跟傳統(tǒng)的做法相差甚遠(yuǎn)，而且又是準(zhǔn)備應(yīng)用于火星探測如此重大的任務(wù)中。復(fù)合材料端框能否直接使用？能否承受得住探測器發(fā)射時(shí)所受的力和載荷？最初，結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)成員心中也有著很多懷疑。
干航天需要嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)，也要敢于“異想天開”。
經(jīng)過精細(xì)的仿真計(jì)算，上海航天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)了該方案的可行性，復(fù)合材料端框承力筒最終也順利通過了力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，并在火星環(huán)繞器上得以應(yīng)用。新型結(jié)構(gòu)構(gòu)型和全復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使得火星環(huán)繞器徹底解決了在苛刻限重的條件下實(shí)現(xiàn)高效的承載和設(shè)備安裝的問題。
而正是這樣對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的苛刻追求，讓天問一號探測器的火星之旅一路高歌。
