2021年2月10日晚 ， 在历经近7个月的太空航行后 ， 由中国航天科技集团研制的我国首个火星探测器天问一号终于飞抵火星 ， 并成功实施捕获制动 ， 精准进入环火轨道 ， 正式开启了环绕火星阶段的探测任务 。
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” 。
不过到底“如何踩刹车？”面对这一工程问题 ， 中国航天科技集团研制团队不仅做到了精准“刹车” ， 更实现了全过程由探测器自主完成这一高难度动作 ， 交出了一份高分答卷 。
文章图片
让探测器实现全自动“刹车”
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 。 类似的 ， 对于以每秒28公里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 。
中国航天科技集团八院天问一号探测器的环绕器副总设计师朱庆华告诉采访人员 ， 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每秒1公里 。 与常规卫星可以由地面实时操控不同 ， 制动捕获过程中 ， 探测器距离地球1.92亿公里 ， 地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟 ， 探测器必须完全依靠自身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 ， 我们惟有通过方案设计 ， 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 ， 让控制方案更加健壮可靠 。 ”朱庆华说 。
研制团队从20世纪70年代的美国海盗号火星探测器开始 ， 研究了目前国际上所有的火星探测器 ， 并对国外的失败和成功案例进行深入剖析 。
环绕器GNC系统主任设计师聂钦博说 ， “我们对火星探测全过程反复推演 ， 可以说已经将我们能想到的所有可能情况都考虑了进去 ， 并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品 。 ”
近火制动只有一次机会
自2020年7月23日发射以来 ， 踏上奔火高速的天问一号已经完成了四次轨道中途修正和一次深空机动 。 与嫦娥系列探测器在地月空间飞行不同 ， “天问一号”是在进行星际航行 ， 发射升空三天后已经彻底脱离了地球的引力场 。 因此 ， 为了确保它能够顺利奔火 ， 中国航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队悉心为它设计了最优的飞行轨道 ， 助力“天问一号”在导航中精准飞行 。
五院总体设计部专家表示 ， 在地火转移的高速路上 ， “天问一号”长期处于无动力飞行状态 ， 难免会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响 ， 与预定轨道产生一定的偏离 。 为了更接近理论轨道飞行 ， 它就需要轻转“方向盘”、慢踩“油门” ， 即通过中途修正的方式来进行飞行方向和速度的细节调整 ， 从而实现精细跃动、高速奔火 。
在高速奔火的路上 ， 深空机动是“天问一号”需要掌握的漂移技巧 。 与中途修正相比 ， 深空机动是控制量更大的轨控动作 ， 使探测器通过一次大转弯、或者说大漂移 ， 从地球的公转面进入到火星的公转面上 ， 精确瞄准火星飞行 。
轨道负责人周文艳研究员说 ， “从轨道设计的角度来说 ， 深空机动主要是为了调整探测器绕日轨道的尺寸和倾角 ， 从而使探测器飞行的轨道满足到达火星的需求 。 ”
在第四次中途修正后 ， “天问一号”保持着平稳的飞行轨迹抵达火星附近 ， 在中国人民欢度春节的日子里 ， 火星迎来了新的探寻者 。 从地火转移轨道进入到环火轨道 ， 需要通过近火制动来实现火星捕获 ， 完成日心轨道和火心轨道的顺利衔接 。
轨道主管设计师高珊说 ， 天问一号需要准确识别通往火星的高速路标并刹车慢行 ， 在通往环火轨道的“匝道”上谨慎行驶 。 “对于轨道设计来说 ， 近火制动这脚刹车力道大小是极为考究的——踩的太轻 ， 就会飞离火星 ， 踩的太重 ， 则会对后面的飞行时序产生巨大影响 。 ”
【飞行|火星到了！这一脚“刹车”有多重要？】在完成第四次中途修正后 ， “天问一号”火星探测器进入到了合适的窗口期 ， 它必须精准地踩下刹车 ， 即通过近火制动实现火星捕获 ， 一步到位迈入预定环火轨道 。 对于“天问一号”来说 ， 近火制动只有一次机会 ， 因为下一次合适的窗口期是在 2033年 。
另一个对轨道控制带来巨大挑战的是通信延时 ， 由于探测器距离地球太过遥远 ， 即将踏入环火轨道的“天问一号”与地球的通信延迟超过了 10分钟 ， 这意味着无法对火星捕获情况进行实时监控 ， 快速应对 。 面对这样一段“视觉盲区” ， 轨道设计团队协同控制系统进行了近千种故障工况的分析 ， 确定了关键参数及阈值 ，保证火星探测器在地面无法实时控制的情况下 ， 对可能发生的情况进行恰当的判断和反应 。
0.3%的影响也不能忽视
一次半物理仿真试验中 ， 探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差 ， 这让研制团队高度紧张：方案已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心造成的姿态干扰等多种可能的因素 ， 为什么精度还是不够呢？
朱庆华说 ， 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 。
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了一倍 ， 并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时机的计算中 ， 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 。
此外 ， 承担着指挥控制任务的GNC单元 ， 则采用了三模冗余方案 。 在团队多轮设计、仿真及验证工作下 ， 三台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决” ， 即运算时刻和初始数据始终保持一致 ， 进而通过少数服从多数的原则 ， 确保计算结果准确无误 。
朱庆华说 ， 为了确保我国首次自主火星探测任务最关键的这次“刹车”的可靠完成 ， 研制团队在四年的研制过程中 ， 不断进行着发动机推力方向和大小、发动机推力干扰力矩、太阳电池阵挠性振动、推进剂液体燃料晃动等各参数的正常范围、极限拉偏测试 ， 分析测试和试验中GNC系统的表现 ， 对异常现象迅速定位并对方案进行优化完善 。
环绕器GNC分系统产保师刘宇告诉采访人员：“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 。 ”
截至目前 ， 具备自主控制能力的中国火星探测器——天问一号已成功实施捕获制动 ， 刘宇现在最期待的就是 ， 这位来自中国的火星使者 ， 能够带来更多探火新发现 。
推荐阅读
- 观测|期待！新年第一天火星合月，1月4日一起去看流星雨
- 水星|期待！新年第一天火星合月，1月4日一起去看流星雨
- 人物|马斯克：打算在火星上实行直接民主制
- 数据|天问一号火星离子与中性粒子分析仪首个成果面世
- 研发|俄开发太空飞行用多通道发动机
- Apple|苹果放弃英特尔的决定在今年得到了回报
- 马斯克|马斯克：SpaceX最快5年将人类送上火星， 最晚10年
- 火星任务|参考封面 | 2021，应对重大挑战的一年
- 目的|俄开发太空飞行用多通道发动机
- SpaceX|马斯克：SpaceX最快5年将人类送上火星 最晚10年