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“天问一号”在轨飞行200余天,解密奔火路上的“黑科技”!

来源:人民资讯

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”。

“天问一号”从踏上奔火高速的那一刻,迈出的是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4.7亿公里。

“天问一号”能够快速成长为奔火路上的行家里手,熟练应对奔火高速的多样复杂路况,依靠的是其背后一项项“黑科技”。

01把紧 “方向” 精准刹车

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;有时还需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。

在航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队精心设计下,自2020年7月23日发射以来,踏上奔火高速的“天问一号”已经完成了四次轨道中途修正和一次深空机动。

再比如,这次实施近火制动,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。

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。刹车力道踩的太轻,就会飞离火星,踩的太重,则会对后面的飞行时序产生巨大影响。

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两百种故障工况的分析,确定了关键参数及阈值,编写了近两百份故障预案,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。

02稳定体温 舒适飞行

天问一号在旅途的始发站,距离太阳还比较近,此时的太阳辐照强度较大,约为1367瓦/平方米;但到达火星附近时,太阳辐照强度急速下降,仅有500瓦/平方米。由于外热流能量差异将近3倍,给着陆巡视器热控带来很大难题。

为此,航天科技集团五院热控团队为其研发了新型热控涂层,虽然看上去就像一层普通的银白色漆,但面对高温、严寒的“冰火两重天”时,却能热的时候降温,冷的时候保暖。

而且在火星附近的冷环境里,通过对着陆巡视器内部的关键部位,比如推进系统、电池等,进行电加热主动控温,来保证设备温度满足指标要求。

03超长蓄能 轻装上阵

作为星际旅行者,“天问一号”在飞行过程中面临极为复杂、恶劣的太空环境,如何在减重等约束性条件下满足探测器对能源的高需求,是研制团队着力解决的问题。

在此次飞行中,锂氟化碳电池技术首次应用在火星探测器进入舱中。其储电能力是锂离子电池的两倍,并实现了5kg的减重目标,极大满足了“天问一号”对于更轻装配重量,更高能量存储的需求。同时,新型电池的荷电保持能力极强,在轨长期贮存能力长达10个月之久。

△刚刚,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标,环绕火星获得成功。

04自我管理 自主诊断

通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但与地球卫星不同,火星环绕器由于器地距离远,通信延时大,往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。另外,深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象,即当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时,太阳辐射会干扰地火之间射频信号传输,导致通信中断,称之为“日凌”。本次火星探测任务最长“日凌”达到30天。“日凌”期间,环绕器必须“自己照顾好自己”,依靠自身完成任务管理,并在出“日凌”后迅速自主与地面恢复联系。

针对以上情况,环绕器综合电子分系统的研制团队进行了一系列技术攻关,设计了深空探测长时间无上行指令自主管理机制;设计了自主路由安全管理机制,解决了环绕器内模块级的自主故障诊断和自主故障恢复,确保了环绕器长期自主模式下安全飞行;设计了整器断电再恢复功能,解决了整器极端故障模式下的自恢复的难题。通过多系统多模式器上信息综合自主处理方法,环绕器保证一级故障任务正常执行,二级故障整器安全,实现了环绕器在轨自主运行大于60天的能力。

05明亮“眼睛”照亮奔火路

在天问一号飞近火星的过程中,如何能让探测器依靠自己找到火星?这就需要光学导航敏感器发挥作用。

有了这双明亮的“眼睛”,可以实时观测火星的距离和方向,让飞控团队更直观地确认飞行轨道和姿态,计算图像中火星的几何中心和视半径,天问一号就可以通过最优估计算法来自主获取实时位置和速度信息。这是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术。

本次踏入环火轨道验证了火星边缘提取及轮廓亚像素拟合技术以及光学导航观测量时间空间精确对准算法,获取了大量有效的在轨数据。这标志着我国成为世界上第二个掌握并在轨验证了火星光学自主导航技术的国家。