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星际|航天科技五院总体设计部轨道设计团队星际引航记

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2月10日 ， 天问一号火星探测器顺利实施近火制动 ， 完成火星捕获 ， 正式踏入环火轨道 。 目前 ， 探测器各系统状态良好 ， 近火制动后入轨精度很高 ， 为后续环火飞行的顺利开展赢得了“开门红” 。
由航天科技集团五院抓总研制的天问一号探测器迈出了我国自主开展行星探测的第一步 。 截至目前 ，“天问一号”已经在轨飞行200余天 ， 飞行里程已经突破了4.75亿公里 。
“天问一号”能够快速成长为奔火路上的行家里手 ， 离不开五院总体设计部轨道设计团队的星际引航 。 如何熟练应对奔火高速的路况 ， 如何打好“漂移”、踩好刹车 ， 如何识别多样复杂的环火轨道 ， 让“天问一号”告诉你 。
做好导航 掌握漂移技巧
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4次轨道中途修正和一次深空机动 。
因此 ， 为了确保它能够顺利奔火 ， 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 ， 制定了详细、全面的控制策略 ， 助力“天问一号”在导航中精准飞行 。
【星际|航天科技五院总体设计部轨道设计团队星际引航记】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 。
“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 。 ”轨道负责人周文艳研究员这样解释 。
做足预案 精准踩下刹车
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迎接牛年到来的前夕 ， 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 。
“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 ， 踩得太轻 ， 就会飞离火星 ， 踩得太重 ， 则会对后面的飞行时序产生巨大影响 。 ”轨道主管设计师高珊用生动的比喻来描述近火制动 。
在完成第四次中途修正后 ， 天问一号火星探测器进入到合适的窗口期 ， 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 。
另一个对轨道控制的巨大挑战是通信延时 ， 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 。
多轨调整 减速完成泊车
尽管已经做了充分的准备 ， 轨道设计团队在近火捕获阶段仍然全神贯注地关注着变轨过程中每一个参数、每一条曲线的变化 ， 进行着误差评估 。
这是中国的航天器第一次抵达火星附近 ， 要一次实现“绕、着、巡”3个目标 ， 轨道设计的难度很高 ， 在完成火星捕获后 ，“天问一号”将要面临更大的考验 。
天问一号火星探测器由环绕器与着陆巡视器组成 ， 为了保证着陆巡视器顺利完成火星着陆 ， 需要进行多轨调整 ， 通过精准操作来不断进行轨道和速度的变动 ， 通过更加复杂的轨道控制来保证“泊车” 。
在完成火星捕获后 ，“天问一号”进入到环火轨道中 ， 在远火点进行一次平面机动 ， 调整飞行的轨道倾角 ， 为后续“泊车”工作审时度势、奠定基础 。
当回到近火点时 ， 它就要慢踩刹车 ， 准备更换线路 ， 迈入到停泊调相轨道 ， 对轨道周期进行相应调整 ， 以保证轨迹经过预定的着陆点 。
当“天问一号”在停泊调相轨道上再次到达近火点时 ， 需要进行第三次刹车 ， 进入停泊轨道 ， 并在该轨道上进行多次维持 ， 对着陆区进行拍摄成像 ， 选择合适的位置 ， 完成“泊车”的最后一步 ， 即实现环绕器与着陆巡视器的分离 ， 着陆巡视器进入到火星大气 ， 完成这一阶段的全部任务 。
“天问一号”能够迅速成长为奔火路上的行家里手 ， 离不开轨道设计团队的倾力支持 ， 以及飞控队伍几个月来的恪尽职守 。 后续 ，“天问一号”将按照预定计划进行火星着陆和火星巡视探测 ， 让我们一边消化它的奔火攻略 ， 一边期待更多的奔火好消息 。 （张宇） 来源：航天科技网站

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