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是件美好的事情

天问一号探测器进入火星轨道 这脚“刹车”很重要

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2021年2月10日19时52分,中国航天再次迎来一个历史性时刻。在经过长达七个月,累计202天,4.75亿公里的漫长飞行之后,中国首颗火星探测器“天问一号” 精准实施近火捕获制动,成功进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10º的大椭圆环火轨道,中国的航天探测器首次到达火星!

“天问一号“上的分离测量传感器拍摄的”天问一号“在太空中的美妙身姿。

难度极大,一把定输赢

火星制动捕获,顾名思义就是高速“行驶”的火星探测器在靠近火星时,通过主发动机长时间点火“踩一脚刹车”,使得探测器以大速度增量减速,从而能够被火星的引力场所捕获,使得探测器能够顺利进入绕火轨道。

火星制动捕获堪称是火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。因为制动捕获的机会是唯一的,维系着整个探火任务的成败。

探测器在捕获过程中,火星环绕器需要精确地进行点火制动,只有点火时机和时长都分秒不差,才能形成理想的目标捕获轨道。如果探测器“刹车”太晚或是“刹车”时长不够,就会飞越火星继续围绕太阳公转,耗费数年时间等待下一个“制动窗口”。而探测器如果“刹车”太早或是“太急”,就有可能直接“撞上”火星。

据公开资料显示,此前前苏联、美国、日本的火星探测任务都曾在“火星捕获段”遭遇失败。1974年,前苏联的火星4号探测器在距离火星表面2200公里处由于制动发动机失效而没有切入火星轨道,最终飞越火星。1999年,美国的火星气候轨道器星在实施火星制动捕获时,因轨道高度比设计值偏低,最终导致探测器进入火星大气层而被烧毁。而在2020年,日本的“希望号”火星探测器因为探测器上的通信和电子系统损坏,从而无法顺利实施制动捕获未能进入环火轨道。

此外,2010年12月,日本的“拂晓号”金星探测器也是倒在了“制动环节”,“拂晓号”金星探测器的发动机由于故障未能及时完成金星捕获制动,直接飞越金星。直到2015年12月,它才再次回到金星附近捕获成功,然而此时它已经接近寿命末期。

据了解,于今晚成功实施火星制动捕获的中国的“天问一号” 探测器,目标轨道距离火星最近处仅400km,在实施火星制动捕获的时候稍有不慎就会撞击火星或飞离火星。“天问一号”在靠近火星时的速度已高达28km/s,想要被火星引力场所捕获,就要求探测器配置的1台3000N的轨道控制发动机,在“捕获窗口”对应的,有限的轨道弧段,在10分钟内将速度降低约1km/s。

而与一般环绕地球的卫星由地面实时操控入轨的方式不同的是,“天问一号”在火星制动捕获过程中,探测器距离地球达1.92亿公里,地球与“天问一号”之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟,因此,在“分秒必争”的制动过程中,“天问一号”必须完全依靠自身完成发动机的点火和关机,克服发动机点火期间的扰动,实现点火方向和点火时长的精确控制。

为了确保了“天问一号”能够完美实施火星制动捕获,负责研制“天问一号”的中国航天科技集团科研团队专门为“天问一号”设计了器务自主管理器双大脑、姿轨控计算机三核心、测控通信多通道切换策略、发动机双关机策略以及3000N和120N发动机两重保险等多项技术,极大地提升了系统的可靠性。

未来步步惊心,每一步都将创造历史

成功实施火星制动捕获,标志着中国首次火星探测任务“绕、落、巡”三大目标中的环绕目标顺利达成,为后续探测器的着和巡视任务的顺利实施奠定了基础。

随后,”天问一号“探测器在几个月内还将进行多次轨道调整,进入火星停泊轨道,开展预选着陆区探测,计划于2021年5月实施火星探测之旅中的另一项关键动作——环绕器和着陆巡视器“两器分离”,最终将实现火星着陆,开展巡视探测。

据了解,接下来的“两器分离”环节需要探测器在约3个小时内首先变轨到存在撞击火星风险的轨道上,建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态,且姿态误差必须小于0.01度。而到了预定分离的时刻,环绕器与着陆器必须迅速完成分离,在经过安全距离飘飞过程后,环绕器需要立马完成推力加速,以回到安全的环绕火星轨道上。这一过程中,无论是“降轨”还是“升轨”都需要对时间有精准的把控,太早难以保证着陆器进入精度,太晚则会造成环绕器撞击火星的风险。整个“器器分离”环节颇具看点,值得期待。

“天问一号“上的分离测量传感器拍摄的”天问一号“上的国旗。

“天问一号于2020年7月23日成功发射升空,是中国行星探测计划中的首个任务,计划通过一次发射完成火星探测”环绕及着陆巡视“的壮举,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。“天问一号”火星探测任务是我国“两个一百年”进程中的重大成就和标志,是中国航天迎接建党100周年的重要工程之一,也是中国航天走向更远深空的里程碑工程。

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