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“天問一號”探測器成功進入火星軌道
最后更新: 2021-02-10 22:24:59據(jù)人民日報客戶端,記者從國家航天局獲悉,2021年2月10日19時52分,中國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器實施近火捕獲制動,環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動機點火工作約15分鐘,探測器順利進入近火點高度約400千米,周期約10個地球日,傾角約10o的大橢圓環(huán)火軌道,成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星,實現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標,環(huán)繞火星獲得成功。
首次火星探測任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進入火星捕獲階段后,天問一號環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷將陸續(xù)開始工作,對火星開展多維度探測。
自2020年7月23日成功發(fā)射以來,天問一號探測器已累計飛行202天,完成1次深空機動和4次中途修正,抵達火星時飛行里程約4.75億千米,距離地球約1.92億千米,器地通信單向時延約10.7分鐘,各系統(tǒng)狀態(tài)良好。后續(xù)天問一號還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整,進入火星停泊軌道,開展預(yù)選著陸區(qū)探測,計劃于2021年5月至6月?lián)駲C實施火星著陸,開展巡視探測。
什么是火星捕獲制動?這腳“剎車”有多難?解答來了
據(jù)新華社,2月10日晚間,我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功實施近火制動,開啟環(huán)繞火星之旅。此次“天問一號”火星捕獲制動的成功,標志著我國首次火星探測任務(wù)“繞、落、巡”三大目標中的“環(huán)繞”目標順利達成,為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實施奠定了基礎(chǔ)。
一分鐘領(lǐng)略“天問一號”環(huán)繞火星。視頻來源:航天科技集團八院
什么是火星捕獲制動?
火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時,通過主發(fā)動機長時間點火,使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速,從而能夠被火星引力場捕獲,進入繞火軌道。作為火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一,制動捕獲的機會是唯一的,關(guān)系著整個工程任務(wù)的成敗。
捕獲過程中,火星環(huán)繞器需要準確地進行點火制動,只有點火時機和時長都分秒不差,才能形成理想的目標捕獲軌道。
此次火星探測任務(wù)捕獲時,探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統(tǒng)的深空測控網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號,經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù),從而確保探測器能夠在預(yù)定時間、預(yù)定高度順利進入捕獲走廊,實施變軌動作。
在捕獲制動過程中,“天問一號”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米,單向通信時延達到了10.7分鐘,地面無法對整個過程進行實時監(jiān)控,只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。
自2020年7月23日發(fā)射以來,研制團隊已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù),完成四次中途修正和一次深空機動,開展了各種自檢和功能驗證工作,對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試,確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。
近火制動示意圖。來源:航天科技集團五院
這腳“火星剎車”,厲害!
制動捕獲,簡單來說就是通過發(fā)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”。但到底如何“踩剎車”?面對這一難題,“天問一號”交出了一份高分答卷。
開車的人都知道,在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說,要想被火星引力捕獲,也必須在“捕獲窗口”對應(yīng)的軌道弧段,精準、自主、可靠地完成“剎車”。理論上,給探測器一個反向推力,即可把它的速度降下來。但在工程實現(xiàn)過程中,仍會遇到不少問題。
火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動機,進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限,要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過程中,探測器必須完全依靠自己完成發(fā)動機點火和關(guān)機,克服發(fā)動機點火期間的擾動,實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。
“在失去地面實時測控的環(huán)境下,我們只有通過方案設(shè)計,充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況,全自主執(zhí)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。”中國航天科技集團八院環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華說。
2020年7月23日,“天問一號”探測器發(fā)射升空。新華社記者 郭程 攝
0.3%的影響也絕不忽視
在研制過程中,一次半物理仿真試驗,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。設(shè)計方案已經(jīng)考慮了探測器燃料消耗引起的質(zhì)量變化,也考慮了推力方向偏移造成的姿態(tài)干擾等多種可能因素,為什么精度還是不夠呢?
研制團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析,終于發(fā)現(xiàn),制動前的“沉底”時間過長,對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。
專家介紹,所謂“沉底”就是在主發(fā)動機推力減速前,先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作,通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度,使燃料集中到貯箱底部,便于主發(fā)動機工作。
研制團隊迅速對這一過程進行精確量化分析,將沉底工作過程的推力減小,并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機關(guān)機時間的計算中,通過方案優(yōu)化和進一步仿真驗證,捕獲制動精度有了顯著提升。
為了確保這次關(guān)鍵“剎車”可靠完成,研制團隊在四年攻關(guān)過程中,不斷對方案進行優(yōu)化完善。中國航天科技集團八院環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)品保證師劉宇說:“我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務(wù)進行仿真,仿真結(jié)果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合。”
目前,具備自主控制能力的火星探測器已成功實施捕獲制動,讓我們共同期待后續(xù)的探火新發(fā)現(xiàn)吧。
- 原標題:“天問一號”探測器成功進入火星軌道
- 責(zé)任編輯: 連政 
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