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，中國航天科技集團上海航天技術研究院結構團隊終于長舒了一口氣。歷經十年攻關，憑借完全由我國自主研發的結構技術創造歷史的環繞器結構，也揭開了其神秘面紗。
為了克服地球的強大引力飛向火星，由環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，但為了到達遙遠的火星，又至少需要攜帶2500公斤的推進劑。除去著陸巡視器占去的1300公斤重量份額，環繞器自身重量被嚴格限制在1200公斤之內。
這1200公斤包含結構和其他各種設備的重量，還要兼顧2.5米可展開驅動天線、太陽電池陣、高分辨率相機等多種大體積設備的安裝要求。如何在重量有限的情況下實現高效的承載和設備安裝，成為上海航天結構團隊面前的一只攔路虎。
“對于航天器來說，質心（物體質量集中點）越低、重量越輕，發射成本就越小，所以結構構型設計的目標就是要盡量降低質心，優化重量，同時兼顧設備安裝需求?！杯h繞器結構主任設計師王建煒告訴記者，圍繞著這個核心原則，結構團隊先后開展了多輪結構構型論證。
經過一輪又一輪的反復論證，最終結構團隊創新性地提出了“中心承力錐筒+內部貯箱下探+外部六面柱體”的深空探測結構構型。該創新構型在結構系統中的應用尚屬首次，它可以完美實現如下目標——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構可靠性；充分利用火箭支撐筒的“富余”空間，內部大容積貯箱并聯式下探布局，顯著降低探測器質心高度，使環繞器在發射段受載相對減少，更有利于控制環繞器重量；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等大體積設備提供充足的安裝空間。
對于天問一號而言，多一克的重量，付出的發射成本遠超一克黃金。
盡管創新構型為“減重”奠定了重要基礎，然而，團隊距離苛刻的目標重量要求還有著巨大差距。為了繼續“減重”，結構團隊又把目光投向重量最大的結構核心部件——中心承力筒。
“傳統的中心承力筒，筒體結構普遍采用碳纖維蒙皮蜂窩夾層結構，受力較大、載荷復雜的上下端框則采用鋁合金材料，整體重量較大?！苯Y構團隊孔祥宏堅信，要繼續減重，就必須從結構核心部件這一重點打破傳統。
一個大膽的設想逐漸浮出水面——固有上端框采用相比傳統金屬材料更加輕質的全復合材料，下端框采用整體復合材料+局部金屬鑲塊的設計是否可行？嚴格而精細的理論計算顯示，該方案能夠使環繞器整體結構相比采用傳統構型的方案減重30%以上。然而，這跟傳統的做法相差甚遠，而且又是準備應用于火星探測如此重大的任務中。復合材料端框能否直接使用？能否承受得住探測器發射時所受的力和載荷？最初，結構團隊成員心中也有著很多懷疑。
干航天需要嚴謹務實，也要敢于“異想天開”。
經過精細的仿真計算，上海航天結構團隊最終確認了該方案的可行性，復合材料端框承力筒最終也順利通過了力學試驗驗證，并在火星環繞器上得以應用。新型結構構型和全復合材料主承力結構的應用，使得火星環繞器徹底解決了在苛刻限重的條件下實現高效的承載和設備安裝的問題。
而正是這樣對結構設計的苛刻追求，讓天問一號探測器的火星之旅一路高歌。
