2月10日晚间,农历腊月廿九,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功实施近火制动,开启环绕火星之旅。
截至目前,天问一号已经在轨飞行余天,飞行里程已经突破了4.7亿公里。如何在距离地球如此之远的茫茫太空打好“漂移”、踩好“刹车”?这其中,大有学问。
只有一次机会、时间仅30分钟
在2月5日第四次中途修正后,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。
对于天问一号来说,近火制动只有一次机会。它必须精准地踩下“刹车”,一步到位迈入预定环火轨道。
由于火星探测器从地球飞向火星的过程中能够被火星引力所捕获的机会只有一次,且时间仅30分钟左右,不能中断;捕获时探测器距离地球1.92亿千米,无线电通信双向延时达20多分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。
“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。”天问一号火星探测器抓总研制单位航天科技集团五院轨道主管设计师高珊用生动的比喻来描述近火制动。
“打个比方,地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速,火星只是这条高速上的一个出口,一旦探测器不能及时刹车从火星出口下高速,那就只能多绕一圈、花费数年到下次路过该出口了。”中国航天科技集团八院“天问一号”探测器副总指挥张玉花说。
完成艰巨任务,只能“靠自己”
另一个巨大挑战是通信延时。由于探测器距离地球太过遥远,即将踏入环火轨道的天问一号与地球的通信延迟超过了10分钟,这意味着无法对火星捕获情况进行实时监控,快速应对。
火星引力捕获窗口有限,要求探测器完全靠自己,在10分钟内将速度从28km/s降低至约1km/s。
这并不是一件容易的事。据了解,天问一号配置了1台N的轨道控制发动机,进行引力捕获时的制动减速控制。
面对这样一段“视觉盲区”,轨道设计团队协同控制系统进行了近千种故障工况的分析,确定了关键参数及阈值,编写了近两百份故障预案,保证火星探测器在地面无法实时控制的情况下,对可能发生的情况进行恰当的判断和反应。
团队对国外的失败和成功案例进行了深入剖析。“我们对火星探测全过程反复推演,可以说已经将我们能想到的所有可能情况都考虑了进去,并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”八院GNC系统(编者注:制导、导航与控制系统)主任设计师聂钦博说道。
环绕器GNC分系统产保师刘宇不无自豪地说道:“我们已运用自己的算法对一些知名的火星探测任务进行仿真,仿真结果与国际上公布的数据非常吻合。”
“火星泊车”,仍面临严峻考验
尽管已经做了充分的准备,轨道设计团队在近火捕获阶段仍然全神贯注地