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机会只有一次!天问一号这样被火星捕获

2021-02-10 22:12:27 来源: 作者:赵竹青
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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”。

制动捕获,简单来说就是通过发动机推力减速控制,来降低探测器的速度,使其能够被目标星体的引力所捕获,这一动作也被形象地称为“踩刹车”。

截至目前,天问一号已经在轨飞行200余天,飞行里程已经突破了4.7亿公里。如何在距离地球如此之远的茫茫太空打好“漂移”、踩好“刹车”?这其中,大有学问。

太空“刹车”,只有一次机会

在2月5日第四次中途修正后,天问一号保持着平稳的飞行轨迹抵达火星附近。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,完成日心轨道和火心轨道的顺利衔接。

对于天问一号来说,近火制动只有一次机会。它必须精准地踩下“刹车”,一步到位迈入预定环火轨道。

“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。”天问一号火星探测器抓总研制单位航天科技集团五院轨道主管设计师高珊用生动的比喻来描述近火制动。

另一个巨大挑战是通信延时。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了10分钟,这意味着无法对火星捕获情况进行实时监控,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,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。

完成艰巨任务,只能“靠自己”

火星引力捕获窗口有限,要求探测器完全靠自己,在10分钟内将速度从28km/s降低至约1km/s。

这并不是一件容易的事。据了解,天问一号配置了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。

“在失去地面实时测控的环境下,我们惟有通过方案设计,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。”航天科技集团八院火星探测器环绕器副总设计师朱庆华说道。

团队对国外的失败和成功案例进行了深入剖析。“我们对火星探测全过程反复推演,可以说已经将我们能想到的所有可能情况都考虑了进去,并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”八院GNC系统(编者注:制导、导航与控制系统)主任设计师聂钦博说道。

据了解,在一次半物理仿真试验中,探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差,这使得研制团队高度紧张。团队随即对捕获制动这一过程再次进行深入分析,终于发现,制动前的一个环节时间过长,对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。于是团队迅速对这一过程进行精确量化分析,通过方案优化和进一步仿真验证,捕获制动精度有了显著提升。

此外,承担着指挥控制任务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证工作下,三台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决”,即运算时刻和初始数据始终保持一致,进而通过少数服从多数的原则,确保计算结果准确无误。

为了确保我国首次自主火星探测任务最关键的这次“刹车”的可靠完成,环绕器团队在四年的研制过程中,不断进行着发动机推力方向和大小、发动机推力干扰力矩、太阳电池阵挠性振动、推进剂液体燃料晃动等各参数的正常范围、极限拉偏测试,分析测试和试验中GNC系统的表现,对异常现象迅速定位并对方案进行优化完善。

环绕器GNC分系统产保师刘宇不无自豪地说道:“我们已运用自己的算法对一些知名的火星探测任务进行仿真,仿真结果与国际上公布的数据非常吻合。”

“火星泊车”,仍面临严峻考验

尽管已经做了充分的准备,轨道设计团队在近火捕获阶段仍然全神贯注地关注着变轨过程中每一个参数、每一条曲线的变化,进行着误差评估。

这是富博的航天器第一次抵达火星附近,要一次实现“绕、着、巡”三个目标,轨道设计的难度很高,在完成火星捕获后,天问一号将要面临更多的考验。

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,通过精准操作来不断进行轨道和速度的变动,通过更加复杂的轨道控制来保证“泊车”。

在完成火星捕获后,天问一号进入到环火轨道中,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,它就要踩下第二次“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,即实现环绕器与着陆巡视器的分离,着陆巡视器进入到火星大气,完成这一阶段的全部任务。(赵竹青)

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