奔向火星关键一步!天问一号深空机动“四大看点”详解

赵竹青

2020年10月10日08:35  来源:人民网-科技频道
 

探测器深空机动轨道示意图探测器调姿示意图(国家航天局供图 图片:李贵良)

10月9日23时,在我国首次火星探测任务飞行控制团队控制下,天问一号探测器主发动机点火工作480余秒,顺利完成深空机动。至此,探测器的飞行轨道变为能够准确被火星捕获的与火星精确相交的轨道。

在距离地球大约2940万千米的深空实施轨道机动,对于“天问一号”火星探测任务来说,此次变轨意义重大。未来,探测器将在当前轨道飞行约4个月后与火星交会,期间将实施两到三次轨道中途修正。

看点一:什么是深空机动?与轨道修正区别在哪?

在航天术语中,为了减小飞行偏差,使探测器沿着预定的轨道飞行而进行的轨道控制称作“修正”。改变探测器当前轨道,使其进入一条新的轨道而进行的轨道控制称作“机动”。

深空机动是指在地火转移段实施的一次变轨机动。因其在距离地球大约2940万千米的深空实施,故被称作深空机动。中国航天科技集团八院火星环绕器团队介绍,通过深空机动,可以改变探测器原有的飞行速度和方向,使其能够沿着变轨后的轨道顺利飞行至火星。

此前,“天问一号”已完成两次轨道中途修正。专家表示,与速度增量较小、发动机工作较短的常规中途修正不同,深空机动过程中,探测器由发射入轨的逃逸转移轨道变轨为精确到达火星的轨道,速度增量大,发动机工作时间长,因而对探测器控制和推进系统提出了极高的要求。

探测器深空机动轨道示意图探测器调姿示意图(国家航天局供图 图片:李贵良)

看点二:为什么要进行“深空机动”

记者了解到,天问一号的轨道设计,是在综合考虑从发射到火星捕获的各种约束条件后,为使推进剂消耗尽可能小,采取了转移过程中进行一次深空机动的飞行策略。

具体来说,执行深空机动是轨道联合优化的结果,能够提升运载的发射能力、增加探测器的发射质量,使探测器可以携带更多的推进剂,更好地完成探测任务。

综合来看,深空机动“好处多多”。据介绍,通过使用深空机动进行轨道设计和轨道控制,不但成功增加了探测器的推进剂携带量,还能够将一个大的捕获速度增量分解为两次相对较小的速度增量,有利于减小发动机单次工作时间,保证发动机工作的可靠性。

同时,深空机动的实施有利于3000N发动机的标定,过程中可对3000N大发动机进行推力和比冲标定,而精确的发动机标定参数可以更好地确保火星捕获的精度。

此外,通过深空机动,八院火星环绕器研制团队实现了对探测器到达时间的优化,能够得到更加有利的捕获点处的光照条件和通信条件,也使捕获时探测器经历的火影时间(探测器进入太阳光被火星遮挡的阴影区)和通信盲区时间更短。

看点三:深空机动如何实现?

据国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言介绍,天问一号这次轨道调整是本次火星探测任务到目前为止难度最大的一次。

此次深空机动需要根据预定到达火星时间、轨道参数与即时测控定轨参数制定深空机动变轨策略,完成对应的探测器姿态和轨道控制,确保探测器在深空机动后处于与火星精确相交的轨道上。

为了精准实现深空机动,需要测控系统、探测器系统两方面的密切配合。据了解,为了完成地面测控的精密定轨和器上精确自主的轨道控制,本次深空机动中,地面对探测器的定轨任务由我国深空测控站和天文台共同完成,准确保证了探测器变轨的精密定轨需求。

同时,还需天问一号自身“素质过硬”。据了解,为了能够精确自主控制轨道,火星环绕器装备了高精度陀螺、加速度计以及具备故障识别与自主处理能力的器上计算机,充分保证了轨控的精度和可靠性。

探测器调姿示意图(国家航天局供图 图片:李贵良)

看点四:3亿公里外的精确“瞄准”

本次深空机动中,环绕器瞄准的制动捕获时火星的位置距离环绕器约3亿公里远,误差控制约200公里,相当于北京到上海约1200公里距离中瞄准一个直径约0.8米的目标。其难度可想而知。

而从此次深空机动控制的结果来看,实际精度要优于设计指标。这是火星探测任务团队紧密配合、不懈努力的结果。

后续,工作人员将根据探测器实际飞行状态,迭代优化中途修正策略,利用中途修正持续对到达火星的轨道再进行精确修正,保证探测器能够按计划准确进入火星捕获走廊,被火星引力捕获进入环火轨道,开展着陆火星的准备和后续科学探测等工作。

(责编:赵竹青、吕骞)