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◎ 牛俊坡 李柏杨 科技日报记者 付毅飞

2021年2月10日19时52分,历经202天太空航行的我国首个火星探测器天问一号终于飞抵火星,并乐成实行捕捉制动,精准进入环火轨道,正式开启了围绕火星阶段的探测义务。

制动捕捉,简朴来说就是通过发动机推力减速控制,来降低探测器的速率,使其能够被目的星体的引力所捕捉,这一动作也被形象地称为“刹车”。记者从中国航天科技集团领会到,天问一号的这次“刹车”不仅精准,而且全程由它自主完成。

天问一号效果图。中国航天科技集团八院供图

刹车机遇只有一次,错过要等12年

作为火星探测义务中手艺风险高、手艺难度大的环节之一,关系着整个工程义务的成败。而且近火制动的机遇只有一次,若是天问一号错过了,下一次合适的窗口期在2033年

对于以每秒钟28公里速率飞向火星的天问一号来说,要想在有限的“捕捉窗口”内精准地完成“刹车”,面临着种种难题。

我国首次火星探测义务“天问一号”探测器乐成发射。记者 胡�� 摄

天问一号卖力实行制动捕捉的围绕器上,设置了1台3000牛推力的轨道控制发动机。凭据火星引力捕捉窗口,要求它在10分钟内将速率降低约每秒1公里。

这一动作,通例卫星可以由地面实时操控,而天问一号此时距离地球约1.92亿公里,与地面之间数据通信的单向时间延迟到达10.7分钟左右,它只能完全依赖自身完成发动机焚烧和关机,战胜发动机焚烧时代的扰动,实现焚烧偏向和焚烧时长的正确控制。

“在失去地面实时测控的情形下,我们惟有通过方案设计,充分思量发动机推力存在误差、探测器质心不停变等情形,全自主执行正确轨道控制;再通过多因素组合的测试和仿真剖析,让控制方案加倍结实可靠。”航天科技集团八院火星围绕器副总设计师朱庆华先容。

天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像。国家航天局供图

研制团队从20世纪70年代的美国海盗号火星探测器最先,研究了现在国际上所有的火星探测器,并对外洋的失败和乐成案例举行深入剖析。“我们对火星探测全历程频频推演,可以说已经将我们能想到的所有可能情形都思量了进去,并通过种种可能事宜的组合来测试我们的方案和产物。”八院火星探测GNC(制导导航控制)系统主任设计师聂钦博说。

记者从航天科技集团五院领会到,五院总体设计部轨道设计团队协同控制系统对近200种故障工况开展剖析,确定了要害参数及阈值,编写了近200份故障预案。

0.3%的影响?不能有!

最先刹车时,天问一号的目的轨道距离火星最近只有约莫400公里,稍有误差就会撞击或飞离火星。尤其是要想进入理想的环火轨道,对近火制动的精度有极高要求。

在此前的一次半物理仿真试验中,探测器捕捉制动精度与指标要求泛起显著误差,使得研制团队高度重要。

方案已思量了探测器燃料消耗引起的质量转变,也思量了推力偏向偏心造成的姿态滋扰等多种可能的因素,为什么精度照样不够呢?

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经由深入剖析,研制职员发现了问题

在主发动机实行推力减速前,探测器要先启动用于姿态控制的小推力器,通过姿态控制推力器发生的加速率,使燃料集中到贮箱底部,便于主发动机事情,这个步骤被称为“沉底”。然而在试验中,制动前的“沉底”时间过长,对捕捉控制的速率增量发生了约0.3%的影响。

研制团队迅速对这一历程举行正确量化剖析,将沉底事情历程的推力减小了一倍,并将沉底历程对速率增量的影响引入到主发动机关机时机的盘算中,通过方案优化和进一步仿真验证,让捕捉制动精度显著提升。

承担着指挥控制义务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证事情下,3台盘算机可确保“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,确保盘算结果准确无误。

资料图:2020年10月1日,中国国家航天局公布中国首次火星探测义务天问一号探测器航行图像,图上的五星红旗光彩夺目,呈现出鲜艳的中国红。这是中国天问一号探测器首次深空“自拍”。国家航天局供图

刹车之后,另有这些动作要完成

要实现完善刹车,绝非“一脚之功”。

整个太空航行历程中,天问一号都要保持行进在预定轨道上,为最后的刹车奠基基础。

与嫦娥系列探测器在地月空间航行差别,天问一号发射升空3天后就彻底脱离了地球引力场,举行的是星际航行。为了确保它能够顺遂奔火,五院总体设计部轨道设计团队悉心为它设计了最优的航行轨道和详尽的控制计谋。

我国首次火星探测义务“天问一号”探测器完成第一次轨道中途修正。在北京航天航行控制中心,航天科技职员在现场事情。记者 才扬 摄

在地火转移历程中,天问一号历久处于无动力航行状态,难免会受到入轨误差、控制误差和其他摄动因素的影响,与预定轨道发生一定偏离。要想更靠近理论轨道航行,它就需要通过中途修正的方式,举行航行偏向和速率的细节调整。自发射以来,它已经实行了4次轨道中途修正。

探测器深空灵活轨道示意图。李贵良 制作

天问一号漂亮地完成了这次“大漂移”,不外接下来,它另有一串庞大的动作要完成。

记者从五院领会到,进入环火轨道后,天问一号要在远火点举行一次平面灵活,调整航行的轨道倾角,为后续着陆事情审时度势、奠基基础。

回到近火点时,它要慢踩刹车,准备替换线路,迈入到停泊调向轨道,对轨道周期举行响应调整,以保证轨迹经由预定的着陆点。

在停泊调相轨道上再次到达近火点时,天问一号要举行第三次刹车,进入停泊轨道,并在该轨道上举行多次维持,以保证能够在预定时间、预定地址完成着陆巡视器的着陆。

上述步骤所有完成后,它将再次减速,进入停泊轨道,对着陆区举行拍摄成像,选择合适的位置开展围绕器与着陆巡视器的星散,让着陆巡视器进入火星大气。

泉源:科技日报

编辑:张爽

审核:王小龙

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    (2021-03-03 00:00:43) 1#

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