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距离地球1.92亿公里 揭秘“天问一号”这一脚高难度“刹车”
时间:2021-02-11 08:21:07 来源:中国新闻网

  中新网上海2月10日电 (郑莹莹 郭超凯)北京时间2月10日晚,中国首次自主火星探测器天问一号成功实施“制动捕获”,随后进入环绕火星轨道。

  作为中国此次火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一,“制动捕获”这一动作被形象称为“踩刹车”。中国航天科技集团八院的专家解析了这一关键动作背后的难度。

  仿若汽车减速进匝道

  开车的人都知道,在高速公路下匝道需要让车速降下来,才能安全经过弯道。类似的,对于以高速度向着火星靠近的探测器来说,要想被火星引力所捕获,也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段,精准、自主可靠地完成“刹车”。

  “制动捕获”,简单来说,就是通过发动机进行推力减速,降低探测器的速度,使其能够被目标星体的引力所捕获。

  理论上,给探测器一个反向推力,即可把它的速度降下来。但在工程实施过程中,仍会遇到不少问题。

  距离地球1.92亿公里的全自动“刹车”

  火星引力的“捕获窗口”有限,要求探测器在15分钟内将速度从28km/s(公里每秒)降低至约1km/s。与常规卫星可以由地面实时操控不同,“制动捕获”过程中,天问一号探测器距离地球约1.92亿公里,地球与探测器之间的数据通信单向时间延迟超过10.7分钟,探测器必须完全依靠自身来完成发动机点火和关机,克服发动机点火期间的扰动,并实现点火方向和点火时长的精确控制。

  环绕器副总设计师朱庆华说,“在失去地面实时测控的环境下,我们只有通过方案设计,充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况,全自动地执行精确轨道控制,再通过多因素组合的测试和仿真分析,让控制方案更加可靠。”

  必须“一次成功”

  “天问一号”在太空的这一脚“刹车”不仅需要“一次成功”,而且风险非常高;踩早了,速度降得过低,就会坠入大气层撞击火星;踩晚了,就不能被火星引力捕获,因而飞离火星。

  具体而言,在这个过程中,环绕器启动其配备的轨道控制发动机进行推力减速,其速度降低至被火星引力捕获,成为一颗环绕火星的卫星,否则探测器将飞越火星继续围绕太阳公转。

  为何必须“一次到位”?打个比方,地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速,火星只是这条高速上的一个出口,一旦探测器不能及时刹车,从火星出口下高速,那就只能多绕一圈(需要数年时间)到下次路过该出口了。

  因此,在这关键的刹车段,研制团队设计了相关刹车方案,可以准确判断环绕器是否降至目标速度、实时判断发动机推力的大小和方向、自主更新刹车参数及相应的控制算法等,确保可靠、精准完成这一脚高难度“刹车”。

责编:邓本奇

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