“天問一號”如何打好“漂移”、踩好剎車

2021年2月10日，“天問一號”火星探測器順利實施近火制動，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開展贏得了“開門紅”。

奔火路上，“天問一號”如何打好“漂移”、踩好剎車，并識別多樣復雜的環(huán)火軌道？所有這些，離不開航天科技集團五院總體設計部軌道設計團隊的星際引航。下面，就讓我們一起來聽聽“天問一號”軌道設計團隊怎么說……

奔火路上需要中途修正和深空機動

自2020年7月23日發(fā)射以來，踏上奔火高速路的“天問一號”已經(jīng)完成了4次軌道中途修正和一次深空機動。與嫦娥系列探測器在地月空間飛行不同，“天問一號”是在進行星際航行，發(fā)射升空3天后就已經(jīng)徹底脫離了地球的引力場。為了確保它能夠順利奔火，航天五院悉心為它設計了最優(yōu)的飛行軌道，并制定了詳細、全面的控制策略，助力“天問一號”在導航中精準飛行。

在地火轉移的高速路上，“天問一號”長期處于無動力飛行狀態(tài)，難免會受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動因素的影響，與預定軌道產(chǎn)生一定的偏離。為了更接近理論軌道飛行，它就需要輕轉“方向盤”、慢踩“油門”，通過中途修正的方式來進行飛行方向和速度的細節(jié)調(diào)整。

在高速奔火的路上，深空機動是“天問一號”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機動是控制量更大的軌控動作，使探測器通過一次大轉彎或者大漂移，從地球的公轉面進入到火星的公轉面，精確瞄準火星飛行。“從軌道設計的角度來說，深空機動主要是為了調(diào)整探測器繞日軌道的尺寸和傾角，以滿足到達火星的需求。”軌道負責人周文艷研究員這樣解釋。

只有一次機會，必須精準踩下剎車

第4次中途修正后，“天問一號”保持著平穩(wěn)的飛行軌跡抵達火星附近。在中國人民歡度春節(jié)的日子里，火星迎來了新的探尋者。從地火轉移軌道進入到環(huán)火軌道，需要通過近火制動來實現(xiàn)火星捕獲，從而完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。

“天問一號”需要準確識別通往火星的高速路標并剎車慢行，在通往環(huán)火軌道的“匝道”上謹慎行駛。“對于軌道設計來說，近火制動這腳剎車力道大小極為考究——踩得太輕，就會飛離火星；踩得太重，則會對后面的飛行時序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設計師高珊形象地描述。

完成第4次中途修正，“天問一號”便進入到合適的窗口期，必須精準地踩下剎車，即通過近火制動實現(xiàn)火星捕獲，一步到位邁入預定環(huán)火軌道。對于“天問一號”來說，近火制動只有一次機會，因為下一次合適的窗口期是在2033年。

另一個對軌道控制帶來巨大挑戰(zhàn)的是通信延時。由于探測器距離地球太過遙遠，即將踏入環(huán)火軌道的“天問一號”與地球的通信延遲超過10分鐘——這意味著無法對火星捕獲情況進行實時監(jiān)控和快速應對。面對這樣一段“視覺盲區(qū)”，軌道設計團隊協(xié)同控制系統(tǒng)進行了近千種故障工況的分析，確定了關鍵參數(shù)及閾值，編寫了近兩百份故障預案，以保證火星探測器在地面無法實時控制的情況下，對可能發(fā)生的情況進行恰當?shù)呐袛嗪头磻?/p>

通過復雜的軌道控制來保證“泊車”

這是中國的航天器首次抵達火星附近，要一次實現(xiàn)“繞、著、巡”三個目標，軌道設計的難度很高。

“天問一號”火星探測器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成。為了保證著陸巡視器順利著陸火星，“天問一號”需要通過復雜的軌道控制來保證“泊車”。

據(jù)悉，完成火星捕獲后，進入環(huán)火軌道的“天問一號”將面臨更大的考驗：在遠火點進行一次平面機動，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車”工作奠定基礎；回到近火點時，要“慢踩剎車”，邁入到停泊調(diào)相軌道，并對軌道周期進行調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過預定的著陸點；在停泊調(diào)相軌道再次到達近火點時，“天問一號”需要進行第三次剎車進入停泊軌道，并多次維持在該軌道上對著陸區(qū)拍攝成像，保證能夠在預定時間、地點完成著陸巡視器的著陸。

“妥善完成前面步驟后，‘天問一號’再次減速進入停泊軌道，對著陸區(qū)拍攝成像，并選擇合適的位置，完成‘泊車’的最后一步——環(huán)繞器與著陸巡視器分離，著陸巡視器進入火星大氣。”軌道設計團隊的工作人員強調(diào)。

(光明日報記者 張蕾)