“天問(wèn)一號”探測器實(shí)施火星捕獲 計劃5月至6月?lián)駲C著(zhù)陸 我國首次火星探測任務(wù)環(huán)繞火星成功
2月10日19時(shí)52分，中國首次火星探測任務(wù)“天問(wèn)一號”探測器實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，環(huán)繞器3000牛軌控發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火工作約15分鐘，探測器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米，周期約10個(gè)地球日，傾角約10°的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實(shí)現“繞、著(zhù)、巡”第一步“繞”的目標，環(huán)繞火星獲得成功。
北京青年報記者從國家航天局了解到，首次火星探測任務(wù)由地火轉移階段進(jìn)入火星捕獲階段后，“天問(wèn)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開(kāi)始工作，對火星開(kāi)展多維度探測。
自2020年7月23日成功發(fā)射以來(lái)，“天問(wèn)一號”探測器已累計飛行202天，完成1次深空機動(dòng)和4次中途修正，抵達火星時(shí)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(shí)延約10.7分鐘，各系統狀態(tài)良好。
據悉，后續“天問(wèn)一號”還將經(jīng)過(guò)多次軌道調整，進(jìn)入火星停泊軌道，開(kāi)展預選著(zhù)陸區探測，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C實(shí)施火星著(zhù)陸，開(kāi)展巡視探測。
據介紹，火星捕獲制動(dòng)是指探測器在抵近火星時(shí)，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機長(cháng)時(shí)間點(diǎn)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(chǎng)捕獲，進(jìn)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)節之一，制動(dòng)捕獲的機會(huì )是唯一的，關(guān)系著(zhù)整個(gè)工程任務(wù)的成敗。
北青報記者從國家航天局了解到，捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器需要準確地進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，只有點(diǎn)火時(shí)機和時(shí)長(cháng)都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。
揭秘
多項“黑科技”助航天器飛抵火星
在“天問(wèn)一號”順利實(shí)施近火制動(dòng)、完成火星捕獲、準確進(jìn)入火星軌道的過(guò)程中，距離地球1.9億公里的“天問(wèn)一號”與地球之間的通信延時(shí)近11分鐘。地面如何得知火星探測器是否已進(jìn)入正確軌道？其準確位置在哪里？工作狀態(tài)怎么樣？從地球向其發(fā)出的指令能否正確傳達并被準確執行？這些關(guān)鍵環(huán)節都要靠中國航天科技集團的多款擁有自主知識產(chǎn)權的“黑科技”產(chǎn)品。
如何確保探測器順利進(jìn)入捕獲走廊？
此次火星探測任務(wù)捕獲時(shí)，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(huì )撞擊火星或飛離火星。地面測控系統的深空測控網(wǎng)通過(guò)接收探測器持續發(fā)射的高穩定度無(wú)線(xiàn)電信號，經(jīng)過(guò)連續計算獲得高精度的軌道數據，從而確保探測器能夠在預定時(shí)間、預定高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動(dòng)作。
由于捕獲制動(dòng)時(shí)探測器距離地球1.92億千米，單向通信時(shí)延達到了10.7分鐘，地面無(wú)法對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，研制團隊已持續開(kāi)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(dòng)，開(kāi)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(jìn)行了測試，確保捕獲制動(dòng)過(guò)程涉及的功能、性能得到充分檢驗。
如何“踩剎車(chē)”？
制動(dòng)捕獲，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)發(fā)動(dòng)機推力減速控制，來(lái)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(dòng)作也被形象地稱(chēng)為“踩剎車(chē)”。但到底如何“踩剎車(chē)”？面對這一難題，“天問(wèn)一號”交出了一份高分答卷。
開(kāi)車(chē)的人都知道，在高速公路下匝道時(shí)需要讓車(chē)速降下來(lái)才能安全過(guò)彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來(lái)說(shuō)，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成“剎車(chē)”。理論上，給探測器一個(gè)反向推力，即可把它的速度降下來(lái)。但在工程實(shí)現過(guò)程中，仍會(huì )遇到不少問(wèn)題。
火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動(dòng)機，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制?；鹦且Σ东@窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約1千米每秒。過(guò)程中，探測器必須完全依靠自己完成發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火和關(guān)機，克服發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(cháng)的精確控制。
“在失去地面實(shí)時(shí)測控的環(huán)境下，我們只有通過(guò)方案設計，充分考慮發(fā)動(dòng)機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執行精確軌道控制；再通過(guò)多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠?！敝袊教炜萍技瘓F八院環(huán)繞器副總設計師朱慶華說(shuō)。
哪些“黑科技”助航天器飛抵火星？
火星環(huán)繞器的捕獲制動(dòng)是本次火星探測任務(wù)的難點(diǎn)之一?；鹦黔h(huán)繞器在捕獲火星軌道時(shí)，要保證火星環(huán)繞器精確入軌，就需要九院研制的火星環(huán)繞器GNC分系統加表組合。它能實(shí)現對環(huán)繞器的加速度進(jìn)行精確測量，控制系統通過(guò)返回參數控制發(fā)動(dòng)機實(shí)施制動(dòng)操作，從而使探測器能夠準確進(jìn)入火星軌道。
在進(jìn)入火星軌道時(shí)，探測器需要實(shí)施近火制動(dòng)。此時(shí)探測器距離地球近1.9億公里，發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火時(shí)間為1000多秒，屆時(shí)通信延時(shí)近11分鐘，地面無(wú)法對這一制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。這時(shí)就該九院自主研制的X頻段深空應答機出場(chǎng)了。為研制這一深空領(lǐng)域國內首臺X頻段高靈敏數字化應答機，研制人員攻克了4億公里地火遠距離通信技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)難題，達到了國際先進(jìn)水平。
隨著(zhù)“天問(wèn)一號”與地球距離的持續增大，地面接收到的信號變得極其微弱。這對測控通信系統來(lái)說(shuō)是前所未有的考驗。為此，我國自主研制成功了運用天線(xiàn)組陣技術(shù)的深空測控系統，用于接收探測器從數億公里外發(fā)出的信號，同時(shí)將地面指揮控制命令發(fā)往探測器。九院為該系統研制了世界一流水平的天線(xiàn)組陣信號采集與數據記錄、信號合成及解調處理設備兩個(gè)關(guān)鍵分系統設備。同時(shí)，深空應答機與深空測控天線(xiàn)組陣設備共同構成了火星探測器與地球的唯一信息橋梁，關(guān)系到整個(gè)任務(wù)的成敗。
鏈接
火星最近有點(diǎn)兒“擠”
火星近期將變得有點(diǎn)擁擠：美國、中國和阿聯(lián)酋都在2020年7月的地球-火星發(fā)射“窗口期”發(fā)射了火星探測器，三個(gè)探測器都計劃于本月抵達火星。
其中，阿聯(lián)酋的“希望號”火星探測器2月9日已經(jīng)進(jìn)入火星軌道，正式開(kāi)始為期2年的軌道飛行探測活動(dòng)。與中、美的火星表面探測任務(wù)不同，“希望號”將只是圍繞火星進(jìn)行各項測量工作，研究火星大氣及火星日周期和季節周期，獲得火星氣候變化的普遍規律。
美國的“毅力號”火星車(chē)預計將于2月18日在火星表面著(zhù)陸，成為美國在火星上投放的第五輛火星車(chē)。目前火星上還有美國“機遇號”和“勇氣號”兩個(gè)火星探測器在工作，美國通過(guò)這兩個(gè)火星探測器獲得了豐富的火星數據。據外媒報道，“毅力號”將直接在火星杰澤羅隕石坑實(shí)施軟著(zhù)陸，目標是尋找火星上的生命跡象，并采集火星地質(zhì)樣本。
中國的“天問(wèn)一號”也有火星登陸器和火星探測車(chē)的活動(dòng)?！疤靻?wèn)一號”在環(huán)繞火星軌道飛行一段時(shí)間后，計劃于今年5月至6月?lián)駲C實(shí)施火星著(zhù)陸，開(kāi)展巡視探測。
本組文/本報記者 雷嘉 通訊員 楊璐 【編輯:張楷欣】
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