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“天问一号”如何打好“漂移”、踩好刹车

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赢得了“开门红”。

奔火路上,“天问一号”如何打好“漂移”、踩好刹车,并识别多样复杂的环火轨道?所有这些,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。下面,就让我们一起来听听“天问一号”轨道设计团队怎么说……

奔火路上需要中途修正和深空机动

自2020年7月23日发射以来,踏上奔火高速路的“天问一号”已经完成了4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”是在进行星际航行,发射升空3天后就已经彻底脱离了地球的引力场。为了确保它能够顺利奔火,航天五院悉心为它设计了最优的飞行轨道,并制定了详细、全面的控制策略,助力“天问一号”在导航中精准飞行。

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,难免会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响,与预定轨道产生一定的偏离。为了更接近理论轨道飞行,它就需要轻转“方向盘”、慢踩“油门”,通过中途修正的方式来进行飞行方向和速度的细节调整。

在高速奔火的路上,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大漂移,从地球的公转面进入到火星的公转面,精确瞄准火星飞行。“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,以满足到达火星的需求。”轨道负责人周文艳研究员这样解释。

只有一次机会,必须精准踩下刹车

第4次中途修正后,“天问一号”保持着平稳的飞行轨迹抵达火星附近。在中国人民欢度春节的日子里,火星迎来了新的探寻者。从地火转移轨道进入到环火轨道,需要通过近火制动来实现火星捕获,从而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极为考究——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形象地描述。

完成第4次中途修正,“天问一号”便进入到合适的窗口期,必须精准地踩下刹车,即通过近火制动实现火星捕获,一步到位迈入预定环火轨道。对于“天问一号”来说,近火制动只有一次机会,因为下一次合适的窗口期是在2033年。

另一个对轨道控制带来巨大挑战的是通信延时。由于探测器距离地球太过遥远,即将踏入环火轨道的“天问一号”与地球的通信延迟超过10分钟——这意味着无法对火星捕获情况进行实时监控和快速应对。面对这样一段“视觉盲区”,轨道设计团队协同控制系统进行了近千种故障工况的分析,确定了关键参数及阈值,编写了近两百份故障预案,以保证火星探测器在地面无法实时控制的情况下,对可能发生的情况进行恰当的判断和反应。

通过复杂的轨道控制来保证“泊车”

这是中国的航天器首次抵达火星附近,要一次实现“绕、着、巡”三个目标,轨道设计的难度很高。

“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着陆火星,“天问一号”需要通过复杂的轨道控制来保证“泊车”。

据悉,完成火星捕获后,进入环火轨道的“天问一号”将面临更大的考验: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”工作奠定基础;回到近火点时,要“慢踩刹车”,迈入到停泊调相轨道,并对轨道周期进行调整,以保证轨迹经过预定的着陆点;在停泊调相轨道再次到达近火点时,“天问一号”需要进行第三次刹车进入停泊轨道,并多次维持在该轨道上对着陆区拍摄成像,保证能够在预定时间、地点完成着陆巡视器的着陆。

“妥善完成前面步骤后,‘天问一号’再次减速进入停泊轨道,对着陆区拍摄成像,并选择合适的位置,完成‘泊车’的最后一步——环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器进入火星大气。”轨道设计团队的工作人员强调。

(光明日报记者 张蕾)

责任编辑:肖舒

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