2021年2月10日，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器順利實(shí)施近火制動(dòng)，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測(cè)器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動(dòng)后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開展贏得了“開門紅”。

奔火路上，“天問(wèn)一號(hào)”如何打好“漂移”、踩好剎車，并識(shí)別多樣復(fù)雜的環(huán)火軌道?所有這些，離不開航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的星際引航。下面，就讓我們一起來(lái)聽聽“天問(wèn)一號(hào)”軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)怎么說(shuō)……

奔火路上需要中途修正和深空機(jī)動(dòng)

自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，踏上奔火高速路的“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)完成了4次軌道中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)。與嫦娥系列探測(cè)器在地月空間飛行不同，“天問(wèn)一號(hào)”是在進(jìn)行星際航行，發(fā)射升空3天后就已經(jīng)徹底脫離了地球的引力場(chǎng)。為了確保它能夠順利奔火，航天五院悉心為它設(shè)計(jì)了最優(yōu)的飛行軌道，并制定了詳細(xì)、全面的控制策略，助力“天問(wèn)一號(hào)”在導(dǎo)航中精準(zhǔn)飛行。

在地火轉(zhuǎn)移的高速路上，“天問(wèn)一號(hào)”長(zhǎng)期處于無(wú)動(dòng)力飛行狀態(tài)，難免會(huì)受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動(dòng)因素的影響，與預(yù)定軌道產(chǎn)生一定的偏離。為了更接近理論軌道飛行，它就需要輕轉(zhuǎn)“方向盤”、慢踩“油門”，通過(guò)中途修正的方式來(lái)進(jìn)行飛行方向和速度的細(xì)節(jié)調(diào)整。

在高速奔火的路上，深空機(jī)動(dòng)是“天問(wèn)一號(hào)”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機(jī)動(dòng)是控制量更大的軌控動(dòng)作，使探測(cè)器通過(guò)一次大轉(zhuǎn)彎或者大漂移，從地球的公轉(zhuǎn)面進(jìn)入到火星的公轉(zhuǎn)面，精確瞄準(zhǔn)火星飛行。“從軌道設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，深空機(jī)動(dòng)主要是為了調(diào)整探測(cè)器繞日軌道的尺寸和傾角，以滿足到達(dá)火星的需求。”軌道負(fù)責(zé)人周文艷研究員這樣解釋。

只有一次機(jī)會(huì)，必須精準(zhǔn)踩下剎車

第4次中途修正后，“天問(wèn)一號(hào)”保持著平穩(wěn)的飛行軌跡抵達(dá)火星附近。在中國(guó)人民歡度春節(jié)的日子里，火星迎來(lái)了新的探尋者。從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道，需要通過(guò)近火制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)火星捕獲，從而完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。

“天問(wèn)一號(hào)”需要準(zhǔn)確識(shí)別通往火星的高速路標(biāo)并剎車慢行，在通往環(huán)火軌道的“匝道”上謹(jǐn)慎行駛。“對(duì)于軌道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳剎車力道大小極為考究——踩得太輕，就會(huì)飛離火星;踩得太重，則會(huì)對(duì)后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設(shè)計(jì)師高珊形象地描述。

完成第4次中途修正，“天問(wèn)一號(hào)”便進(jìn)入到合適的窗口期，必須精準(zhǔn)地踩下剎車，即通過(guò)近火制動(dòng)實(shí)現(xiàn)火星捕獲，一步到位邁入預(yù)定環(huán)火軌道。對(duì)于“天問(wèn)一號(hào)”來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)，因?yàn)橄乱淮魏线m的窗口期是在2033年。

另一個(gè)對(duì)軌道控制帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)的是通信延時(shí)。由于探測(cè)器距離地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，即將踏入環(huán)火軌道的“天問(wèn)一號(hào)”與地球的通信延遲超過(guò)10分鐘——這意味著無(wú)法對(duì)火星捕獲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速應(yīng)對(duì)。面對(duì)這樣一段“視覺盲區(qū)”，軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)協(xié)同控制系統(tǒng)進(jìn)行了近千種故障工況的分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，編寫了近兩百份故障預(yù)案，以保證火星探測(cè)器在地面無(wú)法實(shí)時(shí)控制的情況下，對(duì)可能發(fā)生的情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐袛嗪头磻?yīng)。

通過(guò)復(fù)雜的軌道控制來(lái)保證“泊車”

這是中國(guó)的航天器首次抵達(dá)火星附近，要一次實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三個(gè)目標(biāo)，軌道設(shè)計(jì)的難度很高。

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成。為了保證著陸巡視器順利著陸火星，“天問(wèn)一號(hào)”需要通過(guò)復(fù)雜的軌道控制來(lái)保證“泊車”。

據(jù)悉，完成火星捕獲后，進(jìn)入環(huán)火軌道的“天問(wèn)一號(hào)”將面臨更大的考驗(yàn)：在遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行一次平面機(jī)動(dòng)，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車”工作奠定基礎(chǔ);回到近火點(diǎn)時(shí)，要“慢踩剎車”，邁入到停泊調(diào)相軌道，并對(duì)軌道周期進(jìn)行調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過(guò)預(yù)定的著陸點(diǎn);在停泊調(diào)相軌道再次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”需要進(jìn)行第三次剎車進(jìn)入停泊軌道，并多次維持在該軌道上對(duì)著陸區(qū)拍攝成像，保證能夠在預(yù)定時(shí)間、地點(diǎn)完成著陸巡視器的著陸。

“妥善完成前面步驟后，‘天問(wèn)一號(hào)’再次減速進(jìn)入停泊軌道，對(duì)著陸區(qū)拍攝成像，并選擇合適的位置，完成‘泊車’的最后一步——環(huán)繞器與著陸巡視器分離，著陸巡視器進(jìn)入火星大氣。”軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作人員強(qiáng)調(diào)。

關(guān)鍵詞： 環(huán)火軌道 入軌精度