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“天问一号”进入火星轨道 预计五六月择机登陆火星

时间:2021-02-11 3:35:35 点击:

      ●构成:环绕器、着陆巡视器(包含着陆平台和火星车)

  ●重量:约5吨,着陆巡视器共1300公斤,其中火星车约240公斤

  ●高度:火星车最高1.85米

  ●工作时间:火星车计划工作90多天,环绕器计划运行一个火星年

  ●科学载荷:环绕器上7种,火星车上6种

  ●飞行速度:超过11.2千米/秒

  中国都市信息报讯: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。计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

  记者从国家航天局获悉,2021年2月10日19时52分,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10o的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标,环绕火星获得成功。

  首次火星探测任务由地火转移阶段进入火星捕获阶段后,“天问一号”环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷将陆续开始工作,对火星开展多维度探测。

  自2020年7月23日成功发射以来,“天问一号”探测器已累计飞行202天,完成1次深空机动和4次中途修正,抵达火星时飞行里程约4.75亿千米,距离地球约1.92亿千米,器地通信单向时延约10.7分钟,各系统状态良好。后续“天问一号”还将经过多次轨道调整,进入火星停泊轨道,开展预选着陆区探测,计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

  ■ 释疑

  “天问一号”赴火星迈多少坎?

  飞行了202天,如何在深空“漂移”、刹车?是“天问一号”需要迈过的坎,而且“天问一号”只有一次近火制动机会,错过就要等到2033年。

  导航

  深空机动 做了一次大转弯

  “天问一号”奔赴火星之路,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。

  自2020年7月23日发射以来,踏上奔火高速的“天问一号”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。

  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,需要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、或者说大漂移,从地球的公转面进入到火星的公转面上,“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。

  刹车

  近火制动只有一次机会 错过等12年

  在第四次中途修正后,“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。

  “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。”轨道主管设计师高珊用生动的比喻来描述近火制动。

  在完成第四次中途修正后,“天问一号”火星探测器进入到了合适的窗口期。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。

  开车的人都知道,在高速公路下匝道需要让车速降下来才能安全过弯。类似地,对于以28km/s高速靠近火星的探测器来说,要想被火星引力捕获,也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段,精准、自主可靠完成“刹车”。理论上,给探测器一个反向推力,即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中,仍会遇到不少问题。

  火星探测器配置了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。火星引力捕获窗口有限,要求探测器在10分钟内将速度降低约1km/s。

  与常规卫星可以由地面实时操控不同,制动捕获过程中,探测器距离地球1.92亿公里,地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟,探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机,克服发动机点火期间的扰动,实现点火方向和点火时长的精确控制。

  “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,让控制方案更加可靠。”航天科技集团八院环绕器副总设计师朱庆华说道。

  泊车

  接下来需要多轨调整 减速完成泊车

  “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,接下来,“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,它就要慢踩刹车,准备更换线路,迈入到停泊调向轨道,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,保证能够在预定时间、预定地点完成着陆巡视器的着陆。前面步骤均已妥善完成后,“天问一号”才能再次减速,进入到停泊轨道,对着陆区进行拍摄成像,选择合适的位置。

  这样经过几个月的详细观察与调整后,环绕器将实施火星之旅的关键动作——器器分离。

  在约3个小时内,环绕器需要变轨到危险的撞击火星轨道,建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态(姿态误差小于0.01度)。在预定分离时刻,环绕器与着陆器必须完成分离,经过安全距离飘飞过程后,环绕器需要迅速完成推力加速,以回到安全的环绕火星轨道。

  航天科技集团有限公司八院火星探测GNC(制导、导航和控制系统)团队研究了目前国际上所有的火星探测器,并对国外的失败和成功案例进行深入剖析。“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。”GNC系统主任设计师聂钦博说道。

  ■ 揭秘

  “天问一号”有哪些神器护身?

  宇宙深空环境变幻莫测,尤其是在低温环境下,环绕器如何储存能源是首先需要解决的难题;另外通信中断怎么办?如何确保不偏航?记者了解到,在这4.75亿公里的路上,“天问一号”有多种神器护身。

  保温隔热

  超轻超薄“羽绒服”+神奇银白色“漆”

  “天问一号”火星探测器由环绕器与着陆巡视器组成。

  火星环绕器在地球附近受到太阳辐射最大,抵达火星附近受到太阳辐射最小,导致卫星外部温差巨大,存在几百次温度交变,阴影期器上极端低温低达-180℃。另外,由于火星轨道存在约2小时的超长阴影期,其间接受不到太阳光照,导致无法储存能源,如何使环绕器既能适应地球附近的高温又能适应火影期的极端低温,是热控设计师首先需要解决的难题。

  “火星探测温度环境完全区别于以往近地卫星,奔火旅途越走越冷,安全抵达才是我们的目的。”航天科技集团八院热控团队主任设计师盛松介绍。

  为了解决上述矛盾,热控团队一改以往近地卫星“散热为主”的设计思路,提出为环绕器穿羽绒服保温的思路。热控团队精确分析出环绕器外表面漏热点的漏热量,针对漏热多的区域加厚保温,需要降温的区域进行减薄散热,设计出一款“薄中有厚,厚薄相间”超轻超薄款“羽绒服”,为环绕器打造温暖如春的旅行体验。

  着陆巡视器表面有一层热控涂层,它可是一种低吸收、低发射的新型热控涂层,一眼看上去就像一层普通的银白色漆。

  “我们通过控制着陆巡视器表面热控涂层的热辐射特性,尽量降低在近地段的大外热流条件下的整器温度。” 航天科技集团五院总体设计部“天问一号”着陆巡视器热控分系统主任设计师向艳超介绍说,这个“漆”一点儿都不普通,它的低吸收特性可以使着陆巡视器对太阳能量的吸收变少,防止高温;而低发射特性则可以确保着陆巡视器自身热量向外发射得很少,可以在寒冷的时候保温。

  最强大脑

  “日凌”通信中断期间自我照顾

  作为信息中枢,综合电子分系统负责火星环绕器全部信息的管控。

  通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但与地球卫星不同,火星环绕器由于器地距离远,通信延时大,往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。

  另外,深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象,即当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时,太阳辐射会干扰地火之间射频信号传输,导致通信中断,称之为“日凌”。本次火星探测任务最长“日凌”达到30天。“日凌”期间,环绕器必须“自己照顾好自己”,依靠自身完成任务管理,并在出“日凌”后迅速自主与地面恢复联系。

  针对以上情况,环绕器综合电子分系统的研制团队设计了整器断电再恢复功能,解决了整器极端故障模式下的自恢复的难题,保障了火星环绕器的对地通讯链路自主建立。通过多系统多模式器上信息综合自主处理方法,环绕器保证一级故障情况下任务正常执行,发生二级故障整器安全,环绕器可以在轨自主运行60天以上。

  装上“眼睛”

  光学自主导航 探测器自己找到火星

  在“天问一号”飞近火星的过程中,如何依靠自己找到火星?“天问一号”上配置的光学导航敏感器可以利用拍摄的恒星与火星图像,精确计算出自身的飞行姿态、位置与速度,实现相对火星的自主导航。这也是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术。

  “光学导航敏感器就好比“天问一号”自动驾驶过程中的‘眼睛’。”中国航天科技集团八院光学导航专家郑循江打了个比方。在飞近火星的航行中,探测器靠这双眼睛实时观测火星的距离和方向,让飞控团队可以更直观地确认飞行轨道和姿态,计算图像中火星的几何中心和视半径,“天问一号”就可以通过最优估计算法来自主获取实时位置和速度信息。

  距离火星小于500万公里后,飞控团队对光学导航敏感器进行了目标特性的测试和成像参数的确定,并开启自主导航算法,验证飞往火星过程的光学自主导航功能,火星方位、距离和探测器飞行速度的导航计算结果符合预期,特别是验证了火星边缘提取及轮廓亚像素拟合技术以及光学导航观测量时间空间精确对准算法,获取了大量有效的在轨数据。这标志着我国成为世界上第二个掌握并在轨验证了火星光学自主导航技术的国家。

  自带“充电宝”

  锂氟化碳电池可带电十个月

  作为星际旅行者,“天问一号”在飞行过程中面临极为复杂、恶劣的太空环境,如何在减重等约束性条件下满足探测器对能源的高需求,是研制团队着力解决的问题。在航天科技集团五院着陆巡视器供配电分系统主任设计师陈燕的带领下,研制团队从发电、储能、最优功率控制、在轨管理策略等多个角度进行优化设计,突破了多项关键技术难题,其中锂氟化碳电池技术更是首次应用在火星探测器进入舱中,与探测器一同开始了它的处女秀。

  “天问一号”火星探测器由环绕器和着陆巡视器构成,火星车置于着陆巡视器的进入舱上。锂氟化碳电池装配于火星探测器的进入舱上,这是新型电池的首次亮相,储电能力是锂离子电池的两倍,并实现了5公斤的减重目标,极大满足“天问一号”对更轻装配重量,更高能量存储的需求。

  同时,新型电池的荷电保持能力极强,在轨长期贮存能力长达10个月之久。哪怕在温度大幅度变化的情况下,从近地发射的40℃至火星捕获时的0℃,电池容量衰降率也维持在了极小的程度。在具备持久力的同时,电池组的输出能力同样令人叹为观止,在着陆巡视器进入下降着陆过程中,电池组放电倍率极为可观,作为进入舱的主能源,将独立完成着陆巡视器在这一阶段的能源供给。

  “天问一号”发来家书

  “我将全力以赴 等待我的好消息!”

  亲爱的家人们:

  离家200余天,跋涉4.75亿公里,此时,我终于在距离火星400公里处成功一脚刹车,进入环火轨道。回首遥望地球家园,已相距近2亿公里,家人们一切还好吗?

  我知道现在家乡已经是立春之后了,感慨万千。我在2020年7月的烈日下出发,地球上的你们历经炎炎夏日,飒飒金秋,瑟瑟寒冬,一路精心守护陪伴着我到春回大地。从我奔火启程的那一天起,家人们就日夜对我的状态进行细致的判读,一路上四次中途修正,一次深空机动,两次状态自检,让我的旅程十分踏实。这次近火制动我更是信心满满,有159名家人在飞控中心集同工作,24小时连续跟踪;更有航天科技集团公司五院飞行控制的“最强天团”坐镇,他们中有叶培建院士等16名技术专家和顾问、5名两总、61名各个岗位的飞控人员,谢谢了!我终于进入环绕火星的轨道,可以好好看一看这个红色星球了。此时此刻,你们与我分享着进入火星轨道的喜悦,我也在和你们共同品味着新春的吉祥。正好借此机会在这里给家人和全国人民拜个早年!祝大家牛年大吉!

  “日月安属?列星安陈?”中华民族仰望星空留下的种种好奇与疑惑,一直激励着我去找寻答案,现在家人们最常说的一句话是“征途漫漫,惟有奋斗”。从环火开始,我这颗中国制造的航天器就正式成为火星的卫星啦。接下来,我还要进行一次轨道面调整和两次近火制动,这样,我离火星最近的距离就只有265公里啦,之后就是边完成环绕拍照任务边为3个月后的着陆巡视做好准备。

  我将全力以赴,等待我的好消息吧!

  “天问一号”

  2021年2月10日

 
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