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天問一號著陸火星后,環繞器在忙啥呢?

來源:我們的太空作者:李柏楊責任編輯:李佳琦
2021-05-25 14:08

2021年5月15日,我國首次火星探測任務天問一號探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸,在火星上首次留下中國印跡,邁出了我國星際探測征程的重要一步。

可能有人會好奇,火星探測任務著陸火星后,天問一號環繞器在做什么呢?

15日凌晨1時許,天問一號探測器在停泊軌道實施降軌,機動至火星進入軌道。4時許,環繞器成功釋放著陸巡視器,著巡器歷經約3小時飛行后,進入火星大氣,經過約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖,成功軟著陸于預選著陸區。兩器分離約30分鐘后,環繞器進行升軌,返回停泊軌道,為著陸巡視器提供中繼通信,同時繼續進行火星環繞探測。后續,“祝融號”火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平臺并開展巡視探測。

▲ 在天問一號探測器飛行圖像中,銀色的著陸巡視器和金色的環繞器在茫茫宇宙中熠熠生輝,天問一號上的五星紅旗光彩奪目,呈現出鮮艷的中國紅。

火星探測器“天問一號”包括環繞器和著陸巡視器兩部分,為實現著陸巡視器準確進入火星著陸軌道,環繞器需要首先在攜帶著陸巡視器的情況下控制到撞擊火星的軌道,實施兩器分離后,環繞器需要迅速抬升軌道,而著陸巡視器則進入火星大氣層。這個分離前后的控制需要7個小時,環繞器作為搭載著陸巡視器的星際“專車”,需要順序完成軌道降低發動機點火和關機、兩器分離姿態建立、兩器分離后軌道升高發動機點火和關機等一系列動作,而這些太空芭蕾般的優美舞姿,都需要環繞器自主、準確、可靠地完成。

“這是一系列很關鍵的姿態和軌道機動,稍有不慎,探測器就可能被火星引力拉向火星表面,而由于通訊時延的存在,我們并沒有辦法實時獲知探測器的狀態并對異常情況進行干預。”環繞器副總設計師朱慶華說道,“可以說,器器分離的過程是我們控制算法精度、產品工作可靠性、故障預案周密性等最充分的考驗。”

實際上,明確了著陸器準確的著陸點后,探測器的一系列機動也就隨之確定下來了。在探測器進行第一次降軌點火的3個小時前,設計師們已上注所有控制策略,策略中包含了對可能發生情況的應對。

分離時環繞器的軌道控制精度和姿態控制精度是著陸巡視器能否進入預定著陸區的前提。這些需要依賴于敏感器、執行機構、計算機以及算法的準確性,可以說是對探測器GNC系統的一次“大考”。實際過程中,探測器需要自主進行測量計算并作出判斷,每個環節都必須精準無誤,分秒不能差。方案設計師王衛華打了個比方:“這就好比在室外,距離標準籃筐980米進行投籃,還必須事先考慮到投籃的角度、時機、投球力度,以及籃球自身旋轉運動、風速和風向外部環境等種種因素的影響。”

同時,設計師們也做了不同情況下的預案和對策。當環繞器通過自身的敏感器發現沒有完成既定的動作時,會自主帶著著陸器迅速進行軌道抬升以避免撞向火星,并在合適的時機再次選擇執行兩器分離的一系列動作。

▲ 最可靠的通信“中繼站”,保順暢通訊

在此次的火星探測任務中,環繞器不僅僅是一輛星際“專車”,它同樣也是一座功能強大的通信“中繼站”,為火星表面巡視器與地球搭建通訊橋梁。

升軌后的環繞器并不是大家想象中“卸載”后的一身輕松,此刻它需要迅速肩負起對火星表面進行遙感探測的任務,同時選擇恰當的時機來將巡視器的數據“中繼”傳向地球。在距離地球接近3億公里的軌道上準確指向地球,相當于要在2米開外瞄準繡花針孔,而且要在環繞器自身還在不斷的飛行運動情況下,時刻保持住瞄準狀態。

據介紹,環繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數據傳輸天線、1幅對巡視器數據中繼天線。在環繞器執行數據中繼任務時,需要驅動太陽電池陣對準太陽方向以保證自身電能的供應,同時需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數據“鵲橋”。“此時,環繞器需要同時實現對巡視器、地球、太陽3個目標的高精度同步指向控制,絕對可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”GNC系統主任設計師聶欽博表示。

近地衛星通常是長期對地穩定,使用全向天線,不會出現通訊鏈路中斷的問題。而環繞器在環火飛行時與地球距離遠,由于天線波束角有限,設計師們要在確保對天線指向高精度控制的同時,對可能發生的通訊鏈路中斷做出預案。

“我們設計了一種通訊鏈路中斷后的自主恢復策略。一旦發生通訊鏈路中斷,探測器就會‘自主慢旋’,并在這一過程中,使天線掃到地球,進而恢復通訊鏈路。這一過程也是環繞器自主實現。”軟件設計師周誌元介紹道。

可靠的安全策略和精準的自主控制有力保障了環繞器與著陸巡視器的成功分離,更確保了著陸巡視器與地球的順暢通訊。如今,環繞器依然在穩定環火飛行,成為了著陸巡視器與地球之間的通信橋梁,完成數據中繼任務后,它也將全力開啟自己的環火遙感之旅。

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