509所为你解密火星环绕器结构设计！
创新构型奠定基础
为了克服地球的强大引力飞向火星，“天问一号”探测器总重量不能超过5000公斤，但为了到达遥远的火星，又至少需要携带2500公斤的推进剂，除去着陆巡视器占去的1300公斤重量份额，环绕器自身干重被严格限制在1200公斤之内。
“环绕器的1200公斤包含结构和其他各种设备的重量，还要兼顾2.5米可展开驱动天线、太阳电池阵、高分辨率相机等多种大体积设备的安装要求”, 509所结构团队杜冬博士介绍。如何在重量有限的情况下实现高效的承载和设备安装，成为了509所结构团队面前的一只拦路虎。
“对于航天器来说，质心（物体质量集中点）越低、重量越轻，发射成本就越小，所以结构构型设计的目标就是要尽量降低质心，优化重量，同时兼顾设备安装需求”，环绕器结构主任设计师王建炜介绍。围绕着这个核心原则，509所结构团队先后开展了多轮结构构型论证。
在经过无数次的反复论证之中，最终509所结构团队创新性地提出了“中心承力锥筒+内部贮箱下探+外部六面柱体”的深空探测结构构型。该创新构型在结构系统中的应用尚属首次，它可以完美实现如下目标：着陆巡视器通过中心承力锥筒直接传递力，传力路径简单，增加了着陆巡视器的结构可靠性；充分利用火箭支撑筒的“富余”空间，内部大容积贮箱并联式下探布局，显著降低探测器质心高度，使环绕器在发射段受载相对减少，更有利于控制环绕器重量；外部六面柱体则能为2.5米天线、太阳电池阵和高分辨率相机等大体积设备提供充足的安装空间。
复材应用轻松“瘦身”
“探测器多一克的重量，付出的发射成本将远超一克黄金”，因此，尽管创新构型为“减重”奠定了重要基础，然而，团队距离苛刻的目标重量要求还有着巨大鸿沟。为了继续“减重”，509所结构团队又把目光投向重量最大的结构核心部件——中心承力筒。
“传统的中心承力筒，筒体结构普遍采用碳纤维蒙皮蜂窝夹层结构，受力较大、载荷复杂的上下端框则采用铝合金材料，整体重量较大”。孔祥宏博士坚信，要继续减重，就必须从结构核心部件这一重点打破传统。
经过509所结构团队数度分析后，一个大胆的设想逐渐浮出水面：“固有上端框采用相比传统金属材料更加轻质的全复合材料，下端框采用整体复合材料+局部金属镶块的设计是否可行？”严格而精细的理论计算显示，该方案能够使环绕器整体结构相比采用传统构型的方案减重30%以上。然而，这跟传统的做法相差甚远，而且又是准备应用于火星探测如此重大的任务中，“复合材料端框能否直接使用？其能否承受得住探测器发射时所受的力和载荷？”团队成员心中也有着很多怀疑。
“若无某种大胆放肆的猜想，是不可能有知识的进展的。”作为结构主任设计师，面对层层质疑、重重压力，王建炜力排众议，率领团队朝着既定的方向迈进。经过精细的仿真计算，509所结构团队最终确认了该方案的可行性，复合材料端框承力筒最终也顺利通过了力学试验验证，并在火星环绕器上得以应用。新型结构构型和全复合材料主承力结构的应用，使得火星环绕器彻底解决了在苛刻限重的条件下实现高效的承载和设备安装的问题。
前进没有止境，在天问一号奔火的7个月中，此次创新的全复合材料承力筒技术已成功应用于遥感卫星等领域。更为可喜的是，这一创新构型可以在环绕器整体结构构型不变的情况下，简单改变推进剂贮箱尺寸就能适应2000-4000公斤的推进剂重量变化，这也将为后续的深空探测任务奠定重要基础，继续在更加遥远的宇宙发挥作用。