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機會隻有一次!天問一號這樣被火星捕獲

趙竹青
2021年02月10日20:59 | 來源:人民網
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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贏得了“開門紅”。

制動捕獲,簡單來說就是通過發動機推力減速控制,來降低探測器的速度,使其能夠被目標星體的引力所捕獲,這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。

截至目前,天問一號已經在軌飛行200余天,飛行裡程已經突破了4.7億公裡。如何在距離地球如此之遠的茫茫太空打好“漂移”、踩好“剎車”?這其中,大有學問。

太空“剎車”,隻有一次機會

在2月5日第四次中途修正后,天問一號保持著平穩的飛行軌跡抵達火星附近。從地火轉移軌道進入到環火軌道,需要通過近火制動來實現火星捕獲,完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。

對於天問一號來說,近火制動隻有一次機會。它必須精准地踩下“剎車”,一步到位邁入預定環火軌道。

“對於軌道設計來說,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。”天問一號火星探測器抓總研制單位航天科技集團五院軌道主管設計師高珊用生動的比喻來描述近火制動。

另一個巨大挑戰是通信延時。由於探測器距離地球太過遙遠,即將踏入環火軌道的天問一號與地球的通信延遲超過了10分鐘,這意味著無法對火星捕獲情況進行實時監控,快速應對。

面對這樣一段“視覺盲區”,軌道設計團隊協同控制系統進行了近千種故障工況的分析,確定了關鍵參數及閾值,編寫了近兩百份故障預案,保証火星探測器在地面無法實時控制的情況下,對可能發生的情況進行恰當的判斷和反應。

完成艱巨任務,隻能“靠自己”

火星引力捕獲窗口有限,要求探測器完全靠自己,在10分鐘內將速度從28km/s降低至約1km/s。

這並不是一件容易的事。據了解,天問一號配置了1台3000N的軌道控制發動機,進行引力捕獲時的制動減速控制。

“在失去地面實時測控的環境下,我們惟有通過方案設計,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。”航天科技集團八院火星探測器環繞器副總設計師朱慶華說道。

團隊對國外的失敗和成功案例進行了深入剖析。“我們對火星探測全過程反復推演,可以說已經將我們能想到的所有可能情況都考慮了進去,並通過各種可能事件的組合來測試我們的方案和產品。”八院GNC系統(編者注: 制導、導航與控制系統)主任設計師聶欽博說道。

據了解,在一次半物理仿真試驗中,探測器的捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差,這使得研制團隊高度緊張。團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析,終於發現,制動前的一個環節時間過長,對捕獲控制的速度增量產生了約0.3%的影響。於是團隊迅速對這一過程進行精確量化分析,通過方案優化和進一步仿真驗証,捕獲制動精度有了顯著提升。

此外,承擔著指揮控制任務的GNC單元則採用了三模冗余方案。在團隊多輪設計、仿真及驗証工作下,三台計算機可確保“步調一致”並實現“民主表決”,即運算時刻和初始數據始終保持一致,進而通過少數服從多數的原則,確保計算結果准確無誤。

為了確保我國首次自主火星探測任務最關鍵的這次“剎車”的可靠完成,環繞器團隊在四年的研制過程中,不斷進行著發動機推力方向和大小、發動機推力干擾力矩、太陽電池陣撓性振動、推進劑液體燃料晃動等各參數的正常范圍、極限拉偏測試,分析測試和試驗中GNC系統的表現,對異常現象迅速定位並對方案進行優化完善。

環繞器GNC分系統產保師劉宇不無自豪地說道:“我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務進行仿真,仿真結果與國際上公布的數據非常吻合。”

“火星泊車”,仍面臨嚴峻考驗

盡管已經做了充分的准備,軌道設計團隊在近火捕獲階段仍然全神貫注地關注著變軌過程中每一個參數、每一條曲線的變化,進行著誤差評估。

這是中國的航天器第一次抵達火星附近,要一次實現“繞、著、巡”三個目標,軌道設計的難度很高,在完成火星捕獲后,天問一號將要面臨更多的考驗。

天問一號火星探測器由環繞器與著陸巡視器組成,為了保証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,通過精准操作來不斷進行軌道和速度的變動,通過更加復雜的軌道控制來保証“泊車”。

在完成火星捕獲后,天問一號進入到環火軌道中,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,它就要踩下第二次“剎車”,准備更換線路,邁入到停泊調相軌道,對軌道周期進行相應調整,以保証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,並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,即實現環繞器與著陸巡視器的分離,著陸巡視器進入到火星大氣,完成這一階段的全部任務。

(責編:趙竹青、章斐然)

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