什么是火星捕获制动?这脚”刹车”有多难?解答来了

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  2月10日晚间,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。此次“天问一号”火星捕获制动的成功,标志着我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,为后续着陆、巡视任务的实施奠定了基础。

  什么是火星捕获制动?

  火星捕获制动是指探测器在抵近火星时,通过主发动机长时间点火,使得在行星际空间高速飞行的探测器大速度增量减速,从而能够被火星引力场捕获,进入绕火轨道。作为火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一,制动捕获的机会是唯一的,关系着整个工程任务的成败。

  捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,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。

  此次火星探测任务捕获时,探测器的目标轨道距离火星最近处仅400千米,一不留神就会撞击火星或飞离火星。地面测控系统的深空测控网通过接收探测器持续发射的高稳定度无线电信号,经过连续计算获得高精度的轨道数据,从而确保探测器能够在预定时间、预定高度顺利进入捕获走廊,实施变轨动作。

  在捕获制动过程中,“天问一号”面临诸多挑战。由于捕获制动时探测器距离地球1.92亿千米,单向通信时延达到了10.7分钟,地面无法对整个过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。

  自2020年7月23日发射以来,研制团队已持续开展202天在轨飞行控制任务,完成四次中途修正和一次深空机动,开展了各种自检和功能验证工作,对探测器的测控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等进行了测试,确保捕获制动过程涉及的功能、性能得到充分检验。

  这脚“火星刹车”,厉害!

  制动捕获,简单来说就是通过发动机推力减速控制,来降低探测器的速度,使其能够被目标星体的引力所捕获,这一动作也被形象地称为“踩刹车”。但到底如何“踩刹车”?面对这一难题,“天问一号”交出了一份高分答卷。

  开车的人都知道,在高速公路下匝道需要让车速降下来才能安全过弯。对于以28千米每秒高速靠近火星的探测器来说,要想被火星引力捕获,也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段,精准、自主、可靠地完成“刹车”。理论上,给探测器一个反向推力,即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中,仍会遇到不少问题。

  火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机,进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限,要求探测器在10分钟内将速度降低约1千米每秒。过程中,探测器必须完全依靠自己完成发动机点火和关机,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。

  “在失去地面实时测控的环境下,我们只有通过方案设计,充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况,全自主执行精确轨道控制;再通过多因素组合的测试和仿真分析,让控制方案更加可靠。”中国航天科技集团八院环绕器副总设计师朱庆华说。

  0.3%的影响也绝不忽视

  在研制过程中,一次半物理仿真试验,探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差,这使得研制团队高度紧张。设计方案已经考虑了探测器燃料消耗引起的质量变化,也考虑了推力方向偏移造成的姿态干扰等多种可能因素,为什么精度还是不够呢?

  研制团队随即对捕获制动这一过程再次进行深入分析,终于发现,制动前的“沉底”时间过长,对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。

  专家介绍,所谓“沉底”就是在主发动机推力减速前,先启动维持探测器姿态控制的小推力器工作,通过姿态控制推力器产生的加速度,使燃料集中到贮箱底部,便于主发动机工作。

  研制团队迅速对这一过程进行精确量化分析,将沉底工作过程的推力减小,并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时间的计算中,通过方案优化和进一步仿真验证,捕获制动精度有了显著提升。

  为了确保这次关键“刹车”可靠完成,研制团队在四年攻关过程中,不断对方案进行优化完善。中国航天科技集团八院环绕器GNC分系统产品保证师刘宇说:“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。”

  目前,具备自主控制能力的火星探测器已成功实施捕获制动,让我们共同期待后续的探火新发现吧。(记者 胡喆)

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