據(jù)新華社電 2月10日晚間,我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功實施近火制動,開啟環(huán)繞火星之旅。此次“天問一號”火星捕獲制動的成功,標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的“環(huán)繞”目標(biāo)順利達(dá)成,為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實施奠定了基礎(chǔ)。

　　什么是火星捕獲制動?

　　火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時,通過主發(fā)動機長時間點火,使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速,從而能夠被火星引力場捕獲,進(jìn)入繞火軌道。作為火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一,制動捕獲的機會是唯一的,關(guān)系著整個工程任務(wù)的成敗。

　　捕獲過程中,火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點火制動,只有點火時機和時長都分秒不差,才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。

　　此次火星探測任務(wù)捕獲時,探測器的目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統(tǒng)的深空測控網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號,經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù),從而確保探測器能夠在預(yù)定時間、預(yù)定高度順利進(jìn)入捕獲走廊,實施變軌動作。

　　在捕獲制動過程中,“天問一號”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米,單向通信時延達(dá)到了10.7分鐘,地面無法對整個過程進(jìn)行實時監(jiān)控,只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。

　　自2020年7月23日發(fā)射以來,研制團(tuán)隊已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù),完成四次中途修正和一次深空機動,開展了各種自檢和功能驗證工作,對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進(jìn)行了測試,確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。

　　如何踩下“火星剎車”?

　　制動捕獲,簡單來說就是通過發(fā)動機推力減速控制,來降低探測器的速度,使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲,這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”?面對這一難題,“天問一號”交出了一份高分答卷。

　　開車的人都知道,在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說,要想被火星引力捕獲,也必須在“捕獲窗口”對應(yīng)的軌道弧段,精準(zhǔn)、自主、可靠地完成“剎車”。理論上,給探測器一個反向推力,即可把它的速度降下來。但在工程實現(xiàn)過程中,仍會遇到不少問題。

　　火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動機,進(jìn)行引力捕獲時的制動減速控制�；鹦且�力捕獲窗口有限,要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過程中,探測器必須完全依靠自己完成發(fā)動機點火和關(guān)機,克服發(fā)動機點火期間的擾動,實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。

　　“在失去地面實時測控的環(huán)境下,我們只有通過方案設(shè)計,充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況,全自主執(zhí)行精確軌道控制;再通過多因素組合的測試和仿真分析,讓控制方案更加可靠�！敝袊�航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華說。

　　0.3%的影響也絕不忽視

　　在研制過程中,一次半物理仿真試驗,探測器的捕獲制動精度與指標(biāo)要求有了明顯偏差,這使得研制團(tuán)隊高度緊張。設(shè)計方案已經(jīng)考慮了探測器燃料消耗引起的質(zhì)量變化,也考慮了推力方向偏移造成的姿態(tài)干擾等多種可能因素,為什么精度還是不夠呢?

　　研制團(tuán)隊隨即對捕獲制動這一過程再次進(jìn)行深入分析,終于發(fā)現(xiàn),制動前的“沉底”時間過長,對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。

　　專家介紹,所謂“沉底”就是在主發(fā)動機推力減速前,先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作,通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度,使燃料集中到貯箱底部,便于主發(fā)動機工作。

　　研制團(tuán)隊迅速對這一過程進(jìn)行精確量化分析,將沉底工作過程的推力減小,并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機關(guān)機時間的計算中,通過方案優(yōu)化和進(jìn)一步仿真驗證,捕獲制動精度有了顯著提升。

　　為確保這次關(guān)鍵“剎車”可靠完成,研制團(tuán)隊在四年攻關(guān)過程中,不斷對方案進(jìn)行優(yōu)化完善。中國航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)品保證師劉宇說:“我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務(wù)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合�！�

　　目前,具備自主控制能力的火星探測器已成功實施捕獲制動,讓我們共同期待后續(xù)的探火新發(fā)現(xiàn)吧。

　　(記者胡喆)