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遠航4億公里去火星,“天問一號”要邁過哪些坎?
[ 發布時間:2021-02-23 ]   [ 信息來源: 新京報 ]  [ 字號: ]

  “天問一號”已在軌飛行200余天,飛行里程已經突破4.7億公里。如何在深空“漂移”、剎車都是需要邁過的坎兒。


  天問一號在距離火星約220萬公里處,獲取的首幅火星圖像。(國家航天局圖)


  2021年2月10日,“天問一號”火星探測器順利實施近火制動,完成火星捕獲,正式踏入環火軌道。目前,探測器各系統狀態良好,近火制動后入軌精度很高,為后續環火飛行的順利開展打下基礎。


  截至目前,“天問一號”已在軌飛行200余天,飛行里程已經突破了4.7億公里。如何在深空“漂移”、剎車都是“天問一號”需要邁過的坎兒。


  導航:深空機動,做了一次大轉彎


  “天問一號”奔赴火星之路,離不開航天科技集團五院總體設計部軌道設計團隊的星際引航。


  2020年7月23日發射以來,踏上奔火高速的“天問一號”已經完成了四次軌道中途修正和一次深空機動。與嫦娥系列探測器在地月空間飛行不同,“天問一號”是星際航行,發射升空三天后已徹底脫離地球引力場。


  在地火轉移的高速路上,“天問一號”長期處于無動力飛行狀態,會受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動因素的影響,與預定軌道產生一定偏離,需通過中途修正調整飛行方向和速度。


  深空機動是“天問一號”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比,深空機動是控制量更大的軌控動作,使探測器通過一次大轉彎,或者說大漂移,從地球的公轉面進入到火星的公轉面。“從軌道設計的角度來說,深空機動主要是為了調整探測器繞日軌道的尺寸和傾角,從而使探測器飛行的軌道滿足到達火星的需求。”軌道負責人周文艷研究員解釋。


  剎車:近火制動只有一次機會,錯過等12年


  在第四次中途修正后,“天問一號”保持平穩飛行軌跡抵達火星附近。從地火轉移軌道進入環火軌道,需通過近火制動實現火星捕獲,完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。


  “天問一號”需要準確識別通往火星的高速路標并剎車慢行,在通往環火軌道的“匝道”上謹慎行駛。“對于軌道設計來說,近火制動這腳剎車力道大小是極為考究的,踩得太輕,就會飛離火星,踩得太重,則會對后面的飛行時序產生巨大影響。”軌道主管設計師高珊用比喻來描述近火制動。


  完成第四次中途修正后,“天問一號”進入了合適的窗口期。對于“天問一號”來說,近火制動只有一次機會,如錯過,下一次合適的窗口期是2033年。


  對于以28km/s高速靠近火星的探測器來說,要想被火星引力捕獲,必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段,精準、自主地完成“剎車”。理論上,給探測器一個反向推力,即可把它的速度降下來。但在工程實現過程中,仍會遇到不少問題。


  火星探測器配置了1臺3000N的軌道控制發動機,進行引力捕獲時的制動減速控制?;鹦且Σ东@窗口有限,要求探測器在10分鐘內將速度降低約1km/s。


  與常規衛星可以由地面實時操控不同,制動捕獲過程中,探測器距離地球1.92億公里,地球與探測器之間數據通信的單向時間延遲超過10.7分鐘,探測器必須完全依靠自身完成發動機點火和關機,克服發動機點火期間的擾動,實現點火方向和點火時長的精確控制。


  “在失去地面實時測控的環境下,我們唯有通過方案設計,充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況,全自主執行精確軌道控制;再通過多因素組合的測試和仿真分析,讓控制方案更加健壯可靠。”航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華說。


  泊車:多軌調整,減速完成泊車


  “天問一號”火星探測器由環繞器與著陸巡視器組成,為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸,“天問一號”需要進行多軌調整,不斷進行軌道和速度的變動,通過復雜的軌道控制來保證“泊車”。


  完成火星捕獲后,“天問一號”進入到環火軌道,在遠火點進行一次平面機動,調整飛行的軌道傾角,為后續“泊車”工作審時度勢、奠定基礎。當回到近火點時,它就要慢踩剎車,準備更換線路,邁入到停泊調相軌道,對軌道周期進行相應調整,以保證軌跡經過預定的著陸點。


  當“天問一號”在停泊調相軌道上再次到達近火點時,需要進行第三次剎車,進入停泊軌道,并在該軌道上進行多次維持,對著陸區進行拍攝成像,選擇合適的位置,完成“泊車”的最后一步。


  經過幾個月的詳細觀察與調整后,環繞器將實施火星之旅的關鍵動作——器器分離。


  在約3個小時內,環繞器需要變軌到危險的撞擊火星軌道,建立并保持著陸器進入火星大氣所需要的姿態(姿態誤差小于0.01度)。在預定分離時刻,環繞器與著陸器必須完成分離,經過安全距離飄飛過程后,環繞器需要迅速完成推力加速,以回到安全的環繞火星軌道。

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