天问一号探测器进入火星轨道:越过生死10分钟 必须分秒不差

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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的时刻!经过长达七个月、累计202天、4.75亿公里的漫长飞行之后,中国第一次火星探测任务“天问一号”探测器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,成为我国第一颗人造火星卫星。

  所谓火星制动捕获,就是高速飞行的火星探测器在靠近火星时,主发动机长时间点火进行“刹车”,使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,进入环绕火星运行的轨道。

  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,而且时间紧迫,控制难度极大。

  在捕获过程中,探测器发动机的点火时机、时长都必须分秒不差,才能进入理想的目标捕获轨道。

  如果探测器“刹车”太晚或是时长不够,就会飞越火星,继续围绕太阳公转,只能等待数年时间之后的下一个“制动窗口”。

  如果探测器“刹车”太早或是“太急”,就有可能直接撞上火星。

  在此之前,前苏联、美国、日本的火星探测任务都曾倒在“火星捕获段”遭遇失败。

  1974年,前苏联火星4号在距离火星表面2200公里处制动发动机失效,与火星擦肩而过。

  1999年,美国火星气候轨道器星在实施火星制动捕获时,轨道高度低于设计值,探测器进入火星大气层被烧毁。

  2020年,日本希望号火星探测器因为通信和电子系统损坏,制动捕获失败。

  2010年12月,日本拂晓号金星探测器发动机故障,直接飞越金星,直到2015年12月才回到金星附近并捕获成功,但已经到了寿命末期。

  天问一号探测器的目标轨道距离火星最近只有400公里,而接近火星时的速度已高达28千米/小时,3000N轨道控制发动机必须在有限的轨道弧段上,在10分钟的时间内,将自己的速度降低到大约1千米/小时。

  这个阶段,天问一号距离地球达1.92亿公里,与地面通信的单向时间延迟就超过10.7分钟,因此必须完全自主完成发动机的点火和关机,并克服发动机点火期间的扰动,实现点火方向、时长的精确控制。

  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、3000N和120N发动机双重保险等多项技术,极大地提升了系统的可靠性,确保制动捕获成功。

  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。

  天问一号在后续的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”,最终实现火星着陆,开展巡视探测。

  “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,而且姿态误差必须小于0.01度。

  到了预定分离的时刻,环绕器与着陆器必须迅速完成分离,而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,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,太晚则会导致环绕器撞击火星的风险。

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