“天问一号”如何打好“漂移”、踩好刹车
2021年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” 。
奔火路上 ， “天问一号”如何打好“漂移”、踩好刹车 ， 并识别多样复杂的环火轨道？所有这些 ， 离不开航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队的星际引航 。 下面 ， 就让我们一起来听听“天问一号”轨道设计团队怎么说……
奔火路上需要中途修正和深空机动
自2020年7月23日发射以来 ， 踏上奔火高速路的“天问一号”已经完成了4次轨道中途修正和一次深空机动 。 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3天后就已经彻底脱离了地球的引力场 。 为了确保它能够顺利奔火 ， 航天五院悉心为它设计了最优的飞行轨道 ， 并制定了详细、全面的控制策略 ， 助力“天问一号”在导航中精准飞行 。
【漂移|天问一号如何打好“漂移” 听听轨道设计团队怎么说】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” ， 通过中途修正的方式来进行飞行方向和速度的细节调整 。
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大漂移 ， 从地球的公转面进入到火星的公转面 ， 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 ， 以满足到达火星的需求 。 ”轨道负责人周文艳研究员这样解释 。
只有一次机会 ， 必须精准踩下刹车
第4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 ， 从而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极为考究——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形象地描述 。
完成第4次中途修正 ， “天问一号”便进入到合适的窗口期 ， 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10分钟——这意味着无法对火星捕获情况进行实时监控和快速应对 。 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 ， 编写了近两百份故障预案 ， 以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 。
通过复杂的轨道控制来保证“泊车”
这是中国的航天器首次抵达火星附近 ， 要一次实现“绕、着、巡”三个目标 ， 轨道设计的难度很高 。
“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着陆火星 ， “天问一号”需要通过复杂的轨道控制来保证“泊车” 。
据悉 ， 完成火星捕获后 ， 进入环火轨道的“天问一号”将面临更大的考验：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”工作奠定基础；回到近火点时 ， 要“慢踩刹车” ， 迈入到停泊调相轨道 ， 并对轨道周期进行调整 ， 以保证轨迹经过预定的着陆点；在停泊调相轨道再次到达近火点时 ， “天问一号”需要进行第三次刹车进入停泊轨道 ， 并多次维持在该轨道上对着陆区拍摄成像 ， 保证能够在预定时间、地点完成着陆巡视器的着陆 。
“妥善完成前面步骤后 ， ‘天问一号’再次减速进入停泊轨道 ， 对着陆区拍摄成像 ， 并选择合适的位置 ， 完成‘泊车’的最后一步——环绕器与着陆巡视器分离 ， 着陆巡视器进入火星大气 。 ”轨道设计团队的工作人员强调 。 （采访人员 张蕾）
责任编辑：梁燕(EN003)
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