2021-02-11 11:26:01 來(lái)源：人民網(wǎng)
2月10日，天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器順利實(shí)施近火制動(dòng)，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測(cè)器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動(dòng)后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開(kāi)展贏得了“開(kāi)門(mén)紅”。
制動(dòng)捕獲，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速控制，來(lái)降低探測(cè)器的速度，使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲，這一動(dòng)作也被形象地稱(chēng)為“踩剎車(chē)”。
截至目前，天問(wèn)一號(hào)已經(jīng)在軌飛行200余天，飛行里程已經(jīng)突破了4.7億公里。如何在距離地球如此之遠(yuǎn)的茫茫太空打好“漂移”、踩好“剎車(chē)”？這其中，大有學(xué)問(wèn)。
太空“剎車(chē)”，只有一次機(jī)會(huì)
在2月5日第四次中途修正后，天問(wèn)一號(hào)保持著平穩(wěn)的飛行軌跡抵達(dá)火星附近。從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道，需要通過(guò)近火制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)火星捕獲，完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。
對(duì)于天問(wèn)一號(hào)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)。它必須精準(zhǔn)地踩下“剎車(chē)”，一步到位邁入預(yù)定環(huán)火軌道。
“對(duì)于軌道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳‘剎車(chē)’力道大小是極為考究的，踩得太輕，就會(huì)飛離火星，踩得太重，則會(huì)對(duì)后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響?！碧靻?wèn)一號(hào)火星探測(cè)器抓總研制單位航天科技集團(tuán)五院軌道主管設(shè)計(jì)師高珊用生動(dòng)的比喻來(lái)描述近火制動(dòng)。
另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是通信延時(shí)。由于探測(cè)器距離地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，即將踏入環(huán)火軌道的天問(wèn)一號(hào)與地球的通信延遲超過(guò)了10分鐘，這意味著無(wú)法對(duì)火星捕獲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，快速應(yīng)對(duì)。
面對(duì)這樣一段“視覺(jué)盲區(qū)”，軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)進(jìn)行了近千種故障工況的分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，編寫(xiě)了近兩百份故障預(yù)案，保證火星探測(cè)器在地面無(wú)法實(shí)時(shí)控制的情況下，對(duì)可能發(fā)生的情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐袛嗪头磻?yīng)。
完成艱巨任務(wù)，只能“靠自己”
火星引力捕獲窗口有限，要求探測(cè)器完全靠自己，在10分鐘內(nèi)將速度從28km/s降低至約1km/s。
這并不是一件容易的事。據(jù)了解，天問(wèn)一號(hào)配置了1臺(tái)3000N的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制。
“在失去地面實(shí)時(shí)測(cè)控的環(huán)境下，我們惟有通過(guò)方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在偏差、探測(cè)器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過(guò)多因素組合的測(cè)試和仿真分析，讓控制方案更加健壯可靠?！焙教炜萍技瘓F(tuán)八院火星探測(cè)器環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說(shuō)道。
團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)外的失敗和成功案例進(jìn)行了深入剖析?！拔覀儗?duì)火星探測(cè)全過(guò)程反復(fù)推演，可以說(shuō)已經(jīng)將我們能想到的所有可能情況都考慮了進(jìn)去，并通過(guò)各種可能事件的組合來(lái)測(cè)試我們的方案和產(chǎn)品?！卑嗽篏NC系統(tǒng)（編者注: 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)）主任設(shè)計(jì)師聶欽博說(shuō)道。
據(jù)了解，在一次半物理仿真試驗(yàn)中，探測(cè)器的捕獲制動(dòng)精度與指標(biāo)要求有了明顯偏差，這使得研制團(tuán)隊(duì)高度緊張。團(tuán)隊(duì)隨即對(duì)捕獲制動(dòng)這一過(guò)程再次進(jìn)行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)前的一個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。于是團(tuán)隊(duì)迅速對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行精確量化分析，通過(guò)方案優(yōu)化和進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，捕獲制動(dòng)精度有了顯著提升。
此外，承擔(dān)著指揮控制任務(wù)的GNC單元?jiǎng)t采用了三模冗余方案。在團(tuán)隊(duì)多輪設(shè)計(jì)、仿真及驗(yàn)證工作下，三臺(tái)計(jì)算機(jī)可確?！安秸{(diào)一致”并實(shí)現(xiàn)“民主表決”，即運(yùn)算時(shí)刻和初始數(shù)據(jù)始終保持一致，進(jìn)而通過(guò)少數(shù)服從多數(shù)的原則，確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。
為了確保我國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)最關(guān)鍵的這次“剎車(chē)”的可靠完成，環(huán)繞器團(tuán)隊(duì)在四年的研制過(guò)程中，不斷進(jìn)行著發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向和大小、發(fā)動(dòng)機(jī)推力干擾力矩、太陽(yáng)電池陣撓性振動(dòng)、推進(jìn)劑液體燃料晃動(dòng)等各參數(shù)的正常范圍、極限拉偏測(cè)試，分析測(cè)試和試驗(yàn)中GNC系統(tǒng)的表現(xiàn)，對(duì)異?，F(xiàn)象迅速定位并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化完善。
環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)保師劉宇不無(wú)自豪地說(shuō)道：“我們已運(yùn)用自己的算法對(duì)一些知名的火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與國(guó)際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合?！?/p>
“火星泊車(chē)”，仍面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)
盡管已經(jīng)做了充分的準(zhǔn)備，軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在近火捕獲階段仍然全神貫注地關(guān)注著變軌過(guò)程中每一個(gè)參數(shù)、每一條曲線(xiàn)的變化，進(jìn)行著誤差評(píng)估。
這是中國(guó)的航天器第一次抵達(dá)火星附近，要一次實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三個(gè)目標(biāo)，軌道設(shè)計(jì)的難度很高，在完成火星捕獲后，天問(wèn)一號(hào)將要面臨更多的考驗(yàn)。
天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成，為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸，天問(wèn)一號(hào)需要進(jìn)行多軌調(diào)整，通過(guò)精準(zhǔn)操作來(lái)不斷進(jìn)行軌道和速度的變動(dòng)，通過(guò)更加復(fù)雜的軌道控制來(lái)保證“泊車(chē)”。
在完成火星捕獲后，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入到環(huán)火軌道中，在遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行一次平面機(jī)動(dòng)，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車(chē)”工作審時(shí)度勢(shì)、奠定基礎(chǔ)。
當(dāng)回到近火點(diǎn)時(shí)，它就要踩下第二次“剎車(chē)”，準(zhǔn)備更換線(xiàn)路，邁入到停泊調(diào)相軌道，對(duì)軌道周期進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過(guò)預(yù)定的著陸點(diǎn)。
當(dāng)天問(wèn)一號(hào)在停泊調(diào)相軌道上再次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)，需要進(jìn)行第三次“剎車(chē)”，進(jìn)入停泊軌道，并在該軌道上進(jìn)行多次維持，對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行拍攝成像，選擇合適的位置，完成“泊車(chē)”的最后一步，即實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器與著陸巡視器的分離，著陸巡視器進(jìn)入到火星大氣，完成這一階段的全部任務(wù)。
編輯：海洋