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制动时机和时长需分秒不差 天问一号“刹车”有多难

作者:宽带助孕时间:2021-02-12 17:07:05热度:74139
火星面前,天问一号“刹车”有多难近火制动是火星探测过程中的重要节点之一,有一定风险。其风险主要包括几方面,比如制动捕获只有一次机会,机不可失;制动的时机、时长、

  火星面前,天问一号“刹车”有多难

  近火制动是火星探测过程中的重要节点之一,有一定风险。其风险主要包括几方面,比如制动捕获只有一次机会,机不可失;制动的时机、时长、力度等都必须十分精准。

  杨宇光 中国航天科工集团二院研究员

  2月5日,国家航天局发布了天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像。图中火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。

  拍摄这张照片时,天问一号与地球的距离达到1.8亿多千米,离火星大约有220万千米。

  据国家航天局消息,天问一号于当日晚间启动发动机,顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正,以确保后续动作准确实施。此后它还要完成近火制动,被火星捕获,进入环火轨道,成为火星的一颗卫星,并对火星进行观测,为着陆火星做准备。

  中国航天科工集团二院研究员杨宇光向科技日报记者介绍说,近火制动是火星探测过程中的重要节点之一,有一定风险。其风险主要包括几方面,比如制动捕获只有一次机会,机不可失;制动的时机、时长、力度等都必须十分精准。此外,探测器抵达火星时与地球距离远,通信延时长,地面无法实时监视和控制,整个制动过程必须由探测器自主完成,这对探测器的自主控制提出了很高要求。

  制动时机和时长需分秒不差

  按照轨道动力学规律,当航天器接近一个天体时,如果不采取任何措施,它将与这个天体擦肩而过,整个过程形成一个双曲线轨道。

  杨宇光说,在接近过程中,航天器受天体引力影响,速度会越来越快,在距离最近时达到峰值。如果此时航天器不制动,它会逐渐远离该天体,速度慢慢下降,最后摆脱引力飞离天体。

  这一规律决定着,如果想从转移轨道进入环绕天体运行的轨道,航天器就必须实施制动减速。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍,探测器实施制动减速时,要先调整飞行姿态,将发动机喷管朝向前方,等时机恰当时点火开机,以此降低探测器的速度。整个制动过程的控制必须十分精准。

  杨宇光介绍,各国探测器飞往火星基本都采用霍曼转移轨道,天问一号也是如此。对于以太阳为中心的引力场来说,这就是一条连接地球与火星的椭圆形轨道。当探测器抵达火星附近后,如果没有制动或制动力不够,它会脱离火星引力继续环绕太阳运行,下次再跟火星交会就不知是何年何月了。这也就是前文所说制动捕获机会的唯一性。

  反之,如果力道过猛也不行。

  杨宇光说,探测器制动捕获有一个原则,轨道越低,发动机越省能量,制动效率也就越高。但对于距离上亿公里的火星,探测器的位置测量和控制都可能出现误差,如果制动点的轨道高度过低,可能导致探测器撞向火星表面。

  同时,探测器并不是在某一个点把速度降到多少,而是在一个飞行弧段内持续减速,制动点火的时间需要精密计算和精准控制。如果制动时间过长导致制动力度过大,探测器也会面临坠毁的风险。

  “只有刹车时机和时长都分秒不差,才能形成理想的捕获轨道。”庞之浩说。

  与“嫦娥”制动有所不同

  此前我国已成功实施的历次探月任务中,嫦娥系列探测器均圆满完成了近月制动,积累了丰富经验。不过天问一号面临的近火制动,与“嫦娥姐妹”有所不同。

  最显著的区别源自距离。

  地球与月球之间的平均距离约为38.44万千米,对于测控通信来说,延时不过约1秒钟。而天问一号实施近火制动时,地球与火星的距离超过1.8亿千米,单向通信延时达到10分钟以上。杨宇光说,这种情况下地面无法对探测器进行实时监控,需要提前上传指令,到时候让探测器自主执行。

  理论上,探测器的自主性可以通过设计来实现。例如制动时需要把速度降低多少,可以根据发动机推力计算需要开机的时间,照此控制。但实际上并非如此。

  杨宇光说,任务过程中会有很多不确定性,比如发动机推力可能存在细微偏差,飞行器的位置、速度、姿态只能通过测量获得,各种变数使得自主控制的复杂程度大大增加。

  因此,自主控制绝非只靠地面准备指令,探测器执行就能完成,而要大量依赖于测量手段。为了确保测量准确,在执行关键动作的飞行器上都有多个传感器,通过多种途径和不同手段,结合地面测量数据,判断测量结果是否精确。在执行指令时,也会通过传感器来反馈执行情况。当遇到意外情况,来不及等待地面处理时,探测器也会自行判断,然后按照预案自行应对。

  此外,天问一号重达5吨多,不仅超过“嫦娥”系列探测器,甚至在世界各国行星探测器中也居首位。而它配备的,则是一台3000牛的发动机,会不会有点“小马拉大车”?要知道,3.78吨重的嫦娥四号,主发动机推力可是达到了7500牛。

  对此杨宇光表示,嫦娥四号的发动机要兼顾近月制动和月面着陆使用,因而需要较大推力。对于天问一号来说,3000牛发动机确实偏小,但这是权衡各方利弊之后的选择。

  杨宇光说,衡量发动机性能最重要的指标是比冲,比冲越高,相同条件下推进剂能产生的速度增量越大。但从另一方面说,比冲越高,发动机的质量越大,或者说,在同样比冲情况下,发动机推力越大,体积和质量就越大。

  但对于天问一号而言,则希望发动机尽量小,能把更多重量和空间留给载荷。

  在两个互相矛盾的指标之间,设计人员做出了权衡。目前的方案既能满足载荷的需要,也能满足制动的要求,无非是把制动点火时间延长一点而已。

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  制动失败的那些探测器

  由于近火制动有一定风险,因此过去一些火星探测器在进入火星轨道时,曾出现过各种故障。

  苏联1973年7月21日发射的火星4号探测器,于1974年2月在距离火星表面2200千米处飞越,由于制动发动机失效而没有切入火星轨道。

  1992年9月25日,美国火星观察者探测器升空。它在太空飞行了约11个月,在1993年8月21日,也就是计划进入火星轨道前3天发生了故障,与地面失去了联系。据判断,探测器失联的原因可能是推进系统的燃料运输管道破裂。

  日本于1998年7月3日发射的希望号火星轨道器,自发射升空以后故障不断。按计划,希望号应于2003年12月14日到达离火星表面894千米位置,然后进入环火轨道,但由于其电路系统受太阳风暴影响出现故障,变轨发动机无法启动而导致任务失败。

  最冤的一次失败来自美国的火星气候轨道器。1999年9月23日,该探测器本应在80—90千米高度进入火星大气层,但在轨道切入操作中,地面人员犯下了致命的低级错误。在探测器飞行系统软件中,使用的是英制单位“磅”计算推进器动力,而地面人员输入方向校正量和推进器参数时,用的却是公制单位“牛顿”。两种单位的混淆造成了导航误差,使探测器直到距离火星仅57千米时才减速切入,最终导致探测器解体。

  本报记者 付毅飞

【编辑:张楷欣】