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远航4亿公里去火星,“天问一号”要迈过哪些坎?
[ 发布时间:2021-02-23 ]   [ 信息来源: 新京报 ]  [ 字号: ]

  “天问一号”已在轨飞行200余天,飞行里程已经突破4.7亿公里。如何在深空“漂移”、刹车都是需要迈过的坎儿。


  天问一号在距离火星约220万公里处,获取的首幅火星图像。(国家航天局图)


  2021年2月10日,“天问一号”火星探测器顺利实施近火制动,完成火星捕获,正式踏入环火轨道。目前,探测器各系统状态良好,近火制动后入轨精度很高,为后续环火飞行的顺利开展打下基础。


  截至目前,“天问一号”已在轨飞行200余天,飞行里程已经突破了4.7亿公里。如何在深空“漂移”、刹车都是“天问一号”需要迈过的坎儿。


  导航:深空机动,做了一次大转弯


  “天问一号”奔赴火星之路,离不开航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队的星际引航。


  2020年7月23日发射以来,踏上奔火高速的“天问一号”已经完成了四次轨道中途修正和一次深空机动。与嫦娥系列探测器在地月空间飞行不同,“天问一号”是星际航行,发射升空三天后已彻底脱离地球引力场。


  在地火转移的高速路上,“天问一号”长期处于无动力飞行状态,会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响,与预定轨道产生一定偏离,需通过中途修正调整飞行方向和速度。


  深空机动是“天问一号”需要掌握的漂移技巧。与中途修正相比,深空机动是控制量更大的轨控动作,使探测器通过一次大转弯,或者说大漂移,从地球的公转面进入到火星的公转面。“从轨道设计的角度来说,深空机动主要是为了调整探测器绕日轨道的尺寸和倾角,从而使探测器飞行的轨道满足到达火星的需求。”轨道负责人周文艳研究员解释。


  刹车:近火制动只有一次机会,错过等12年


  在第四次中途修正后,“天问一号”保持平稳飞行轨迹抵达火星附近。从地火转移轨道进入环火轨道,需通过近火制动实现火星捕获,完成日心轨道和火心轨道的顺利衔接。


  “天问一号”需要准确识别通往火星的高速路标并刹车慢行,在通往环火轨道的“匝道”上谨慎行驶。“对于轨道设计来说,近火制动这脚刹车力道大小是极为考究的,踩得太轻,就会飞离火星,踩得太重,则会对后面的飞行时序产生巨大影响。”轨道主管设计师高珊用比喻来描述近火制动。


  完成第四次中途修正后,“天问一号”进入了合适的窗口期。对于“天问一号”来说,近火制动只有一次机会,如错过,下一次合适的窗口期是2033年。


  对于以28km/s高速靠近火星的探测器来说,要想被火星引力捕获,必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段,精准、自主地完成“刹车”。理论上,给探测器一个反向推力,即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中,仍会遇到不少问题。


  火星探测器配置了1台3000N的轨道控制发动机,进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限,要求探测器在10分钟内将速度降低约1km/s。


  与常规卫星可以由地面实时操控不同,制动捕获过程中,探测器距离地球1.92亿公里,地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟,探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机,克服发动机点火期间的扰动,实现点火方向和点火时长的精确控制。


  “在失去地面实时测控的环境下,我们唯有通过方案设计,充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况,全自主执行精确轨道控制;再通过多因素组合的测试和仿真分析,让控制方案更加健壮可靠。”航天科技集团八院环绕器副总设计师朱庆华说。


  泊车:多轨调整,减速完成泊车


  “天问一号”火星探测器由环绕器与着陆巡视器组成,为了保证着陆巡视器顺利完成火星着陆,“天问一号”需要进行多轨调整,不断进行轨道和速度的变动,通过复杂的轨道控制来保证“泊车”。


  完成火星捕获后,“天问一号”进入到环火轨道,在远火点进行一次平面机动,调整飞行的轨道倾角,为后续“泊车”工作审时度势、奠定基础。当回到近火点时,它就要慢踩刹车,准备更换线路,迈入到停泊调相轨道,对轨道周期进行相应调整,以保证轨迹经过预定的着陆点。


  当“天问一号”在停泊调相轨道上再次到达近火点时,需要进行第三次刹车,进入停泊轨道,并在该轨道上进行多次维持,对着陆区进行拍摄成像,选择合适的位置,完成“泊车”的最后一步。


  经过几个月的详细观察与调整后,环绕器将实施火星之旅的关键动作——器器分离。


  在约3个小时内,环绕器需要变轨到危险的撞击火星轨道,建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态(姿态误差小于0.01度)。在预定分离时刻,环绕器与着陆器必须完成分离,经过安全距离飘飞过程后,环绕器需要迅速完成推力加速,以回到安全的环绕火星轨道。

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