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天问一号:我已进入环火轨道!感觉良好!

北京日报客户端记者从国家航天局获悉,北京时间2021年2月10日,我国首次火星探测任务“天问一号”火星探测器顺利实施近火制动,完成火星捕获,正式踏入环绕火星轨道

目前,探测器各系统状态良好。“天问一号”在亿万公里外,为祖国亲人送上一份过年大礼!

揭秘:“天问一号”如何精准刹车,抓住今年唯一机会

2021年2月10日,由中国航天科技集团五院抓总研制的“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打下坚实的基础。

截至目前,“天问一号”探测器已经在轨飞行200余天,飞行里程已经突破了4.7亿公里,“天问一号”为何能够顺利奔向火星?这一路上它如何熟练应对“路况”,打好“漂移”、踩好“刹车”;如何识别多样复杂的环火轨道。五院总体设计部轨道设计团队的星际引航功不可没。

中国航天科技集团五院“天问一号”研制团队合影 供图:中国航天科技集团五院

做好导航掌握漂移技巧

自2020年7月23日发射以来,“天问一号”探测器已经完成了四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,发射升空三天后已经彻底脱离了地球的引力场。为了确保它能够顺利奔火,五院总体设计部轨道设计团队悉心为它设计了最优的飞行轨道,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”,即通过中途修正的方式来进行飞行方向和速度的细节调整,从而实现精细跃动、高速奔火。

“天问一号”火星任务探测器模拟图

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、或者说大漂移,从地球的公转面进入到火星的公转面上,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,从而使探测器飞行的轨道满足到达火星的需求。”轨道负责人周文艳研究员解释说。

精准刹车,抓住今年唯一的近火制动机会

在第四次中途修正后,“天问一号”探测器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。

“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,又会对后面的飞行时序产生巨大影响。”轨道主管设计师高珊说。

在完成第四次中途修正后,“天问一号”进入到了合适的窗口期,它必须精准地踩下“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分析了近千种故障工况,确定了关键参数及阈值,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。

天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像。新华社发

天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像。新华社发

多轨调整减速“泊车”

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,进行误差评估。这是中国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”将要面临更大的考验。

“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”。

“天问一号”火星任务探测器模拟图

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”奠定基础。当回到近火点时,它就要慢踩“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。

这次,“天问一号”能够在奔火路上轻车熟路,离不开五院轨道设计团队的倾力支持,以及飞控队伍几个月来的恪尽职守。后续,“天问一号”将要按照预定计划进行火星着陆和火星巡视探测,让我们一边消化它的奔火攻略,一边期待更多的奔火好消息!

来源:北京日报