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- 2021年2月12日18時55分
- 科學文摘 /

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天問一號傳回首幅火星圖像。國家航天局供圖

必須一次成功

在臨近火星時,天問一號環繞器啟動其配備的發動機進行推力減速,將速度降低至能夠被火星引力捕獲,成為一顆環繞火星的衛星,否則探測器將飛越火星繼續圍繞太陽公轉。對於天問一號來說,近火制動只有一次機會,一旦錯過了,下一次合適的窗口期就得再等上很長時間。

打個比方,地火轉移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環高速,火星只是這條高速上的一個出口,一旦探測器不能及時刹車、從火星出口下高速,那就只能多繞一圈到下次路過該出口了。

2010年12月日本的“拂曉號”金星探測器就由於發動機故障而未能及時完成金星捕獲制動,直接飛越金星。直到2015年12月,它才再次回到金星附近,此時它已經接近壽命末期,還好後來捕獲成功,不然就“此情可待成追憶”了。

在這關鍵的刹車段,中國航天科技集團研制團隊設計了相當靠譜的“刹車”方案,不僅可以准確判斷是否降至目標速度,在發動機推力減速控制的過程中,還可以全自主地對發動機推力的大小和方向進行實時判斷,並自主更新刹車參數及相應的控制算法,確保可靠、精准完成刹車。

資料圖:2020年7月23日12時41分,中國在文昌航天發射場用長征五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器。駱雲飛 攝

1.92億公裏外的全自動“刹車”

“對於軌道設計來說,近火制動這腳刹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,則會對後面的飛行時序產生巨大影響。”天問一號軌道主管設計師高珊用生動的比喻來描述近火制動。

火星引力的“捕獲窗口”有限,要求探測器在15分鐘內將速度從28km/s(公裏每秒)降低至約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,天問一號探測器距離地球約1.92億公裏,地球與探測器之間的數據通信單向時間延遲超過10.7分鐘,探測器必須完全依靠自身來完成發動機點火和關機,克服發動機點火期間的擾動,並實現點火方向和點火時長的精確控制。

天問一號環繞器副總設計師朱慶華說,“在失去地面實時測控的環境下,我們只有通過方案設計,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,全自動地執行精確軌道控制,再通過多因素組合的測試和仿真分析,讓控制方案更加可靠。”

資料圖:2020年10月1日,中國國家航天局發布中國首次火星探測任務天問一號探測器飛行圖像,圖上的五星紅旗光彩奪目,呈現出鮮豔的中國紅。這是中國天問一號探測器首次深空“自拍”。中新社發 中國國家航天局 供圖

航天“天團”全程護送

天問一號探測器在2020年7月23日從地球出發,曆經炎炎夏日、颯颯金秋、瑟瑟寒冬,曆時近7個月的長途跋涉終於抵達環火軌道。

從奔火啟程的那一天起,中國航天的科研人員便日夜對其狀態進行細致的判讀,一路上四次中途修正,一次深空機動,兩次狀態自檢,讓天問一號的火星之旅程更加踏實。

這次近火制動,159名科研人員在北京航天飛行控制中心協同工作,24小時連續跟蹤;更有中國航天科技集團五院飛行控制的“最強天團”坐陣,他們中有中國科學院院士葉培建等16名技術專家和顧問、5名“兩總”、61名各個崗位的飛控人員。正如受訪專家所言,在臨近春節之際,天問一號探測器如願進入環繞火星的軌道,也給全國人民拜了個早年,提前送上牛年的祝福。

“日月安屬?列星安陳?”從環火開始,天問一號這顆中國制造的航天器,就正式成為火星的衛星。後續,天問一號還要進行一次軌道調整和兩次近火制動,屆時天問一號離火星最近距離只有 265公裏。之後,天問一號探測器會邊環繞邊完成拍照任務,開展預選著陸區探測,計劃於2021年5月至6月擇機實施火星著陸,開展巡視探測。

來源:中國新聞網


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