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奔向火星關鍵一步!天問一號深空機動“四大看點”詳解

趙竹青
2020年10月10日08:35 | 來源:人民網-科技頻道
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探測器深空機動軌道示意圖探測器調姿示意圖(國家航天局供圖 圖片:李貴良)

10月9日23時,在我國首次火星探測任務飛行控制團隊控制下,天問一號探測器主發動機點火工作480余秒,順利完成深空機動。至此,探測器的飛行軌道變為能夠准確被火星捕獲的與火星精確相交的軌道。

在距離地球大約2940萬千米的深空實施軌道機動,對於“天問一號”火星探測任務來說,此次變軌意義重大。未來,探測器將在當前軌道飛行約4個月后與火星交會,期間將實施兩到三次軌道中途修正。

看點一:什麼是深空機動?與軌道修正區別在哪?

在航天術語中,為了減小飛行偏差,使探測器沿著預定的軌道飛行而進行的軌道控制稱作“修正”。改變探測器當前軌道,使其進入一條新的軌道而進行的軌道控制稱作“機動”。

深空機動是指在地火轉移段實施的一次變軌機動。因其在距離地球大約2940萬千米的深空實施,故被稱作深空機動。中國航天科技集團八院火星環繞器團隊介紹,通過深空機動,可以改變探測器原有的飛行速度和方向,使其能夠沿著變軌后的軌道順利飛行至火星。

此前,“天問一號”已完成兩次軌道中途修正。專家表示,與速度增量較小、發動機工作較短的常規中途修正不同,深空機動過程中,探測器由發射入軌的逃逸轉移軌道變軌為精確到達火星的軌道,速度增量大,發動機工作時間長,因而對探測器控制和推進系統提出了極高的要求。

探測器深空機動軌道示意圖探測器調姿示意圖(國家航天局供圖 圖片:李貴良)

看點二:為什麼要進行“深空機動”

記者了解到,天問一號的軌道設計,是在綜合考慮從發射到火星捕獲的各種約束條件后,為使推進劑消耗盡可能小,採取了轉移過程中進行一次深空機動的飛行策略。

具體來說,執行深空機動是軌道聯合優化的結果,能夠提升運載的發射能力、增加探測器的發射質量,使探測器可以攜帶更多的推進劑,更好地完成探測任務。

綜合來看,深空機動“好處多多”。據介紹,通過使用深空機動進行軌道設計和軌道控制,不但成功增加了探測器的推進劑攜帶量,還能夠將一個大的捕獲速度增量分解為兩次相對較小的速度增量,有利於減小發動機單次工作時間,保証發動機工作的可靠性。

同時,深空機動的實施有利於3000N發動機的標定,過程中可對3000N大發動機進行推力和比沖標定,而精確的發動機標定參數可以更好地確保火星捕獲的精度。

此外,通過深空機動,八院火星環繞器研制團隊實現了對探測器到達時間的優化,能夠得到更加有利的捕獲點處的光照條件和通信條件,也使捕獲時探測器經歷的火影時間(探測器進入太陽光被火星遮擋的陰影區)和通信盲區時間更短。

看點三:深空機動如何實現?

據國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言介紹,天問一號這次軌道調整是本次火星探測任務到目前為止難度最大的一次。

此次深空機動需要根據預定到達火星時間、軌道參數與即時測控定軌參數制定深空機動變軌策略,完成對應的探測器姿態和軌道控制,確保探測器在深空機動后處於與火星精確相交的軌道上。

為了精准實現深空機動,需要測控系統、探測器系統兩方面的密切配合。據了解,為了完成地面測控的精密定軌和器上精確自主的軌道控制,本次深空機動中,地面對探測器的定軌任務由我國深空測控站和天文台共同完成,准確保証了探測器變軌的精密定軌需求。

同時,還需天問一號自身“素質過硬”。據了解,為了能夠精確自主控制軌道,火星環繞器裝備了高精度陀螺、加速度計以及具備故障識別與自主處理能力的器上計算機,充分保証了軌控的精度和可靠性。

探測器調姿示意圖(國家航天局供圖 圖片:李貴良)

看點四:3億公裡外的精確“瞄准”

本次深空機動中,環繞器瞄准的制動捕獲時火星的位置距離環繞器約3億公裡遠,誤差控制約200公裡,相當於北京到上海約1200公裡距離中瞄准一個直徑約0.8米的目標。其難度可想而知。

而從此次深空機動控制的結果來看,實際精度要優於設計指標。這是火星探測任務團隊緊密配合、不懈努力的結果。

后續,工作人員將根據探測器實際飛行狀態,迭代優化中途修正策略,利用中途修正持續對到達火星的軌道再進行精確修正,保証探測器能夠按計劃准確進入火星捕獲走廊,被火星引力捕獲進入環火軌道,開展著陸火星的准備和后續科學探測等工作。

(責編:趙竹青、呂騫)

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