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奔向火星,“天问一号”有了上海航天这些技术突破方能安全到达
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-07-23 13:52
摘要:“上海造”环绕器将承担起“司机”角色,载着着陆巡视器经过地火转移段飞行,一路飞向火星附近并实现被火星的精准捕获。

随着长征五号遥四火箭于7月23日12时41分点火升空,我国首次火星探测任务“天问一号”开启奔火之旅。

由于地火位置不断变化,这次任务不但要抓住26个月才有一次的发射窗口,而且探火本身也充满着挑战。截至目前,人类已对火星实施了44次探测任务,其中成功了24次,成功率不足50%。除了对地火星际空间温度、辐照和辐射环境、微流星环境等认识不足,部分关键技术难题始终难以突破,如远距离测定轨能力、远距离测控通信、大时延自主管理及近火捕获制动导航控制等。

天问一号探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花在接受记者采访时表示,为保证我国首次自主火星探测任务顺利实施,中国航天科技集团上海航天技术研究院火星环绕器研制团队,针对几大关键难点逐一突破,通过一系列技术创新,填补了我国在深空探测技术领域的多项空白。

未来200多天的飞行中,环绕器将承担起“司机”的角色,载着着陆巡视器经过地火转移段飞行,一路飞向火星附近并实现被火星的精准捕获,这将决定整个探火任务的成败。

精确制动捕获,一切都要刚刚好

利用长五火箭助推,探测器获得摆脱地球引力的能量,使用精心设计的地火转移轨道,探测器能够最终顺利抵达火星附近。但此时,如何成功被火星引力场捕获,是整个任务技术风险最高、最为关键的环节。如果捕获失败,探测器将会与火星擦肩而过。

张玉花说,在火星探测器从地球飞向火星的过程中,能够被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会有且仅有一次。然而,此时探测器相对于火星的速度约为4至5公里/秒。“就像两辆高速行驶的汽车,只有前进方向一致、相对速度为0时,才能并驾齐驱。”张玉花表示,必须把握住唯一的机会,利用自身携带的推进剂点火减速,最终实现被火星捕获。

据透露,我国这次火星探测任务捕获时,探测器距离火星最近仅400公里,稍有偏差就会撞击火星或飞离。这一制动捕获中,火星的环绕器面临诸多挑战。张玉花说,由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里,单向通信时延达到10.7分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。同时,发动机点火减速的15分钟内,推进剂消耗量将近900公斤,液体晃动及帆板抖动带来的干扰力巨大,需要探测器实时感知并进行精确的姿态控制。

为确保制动捕获成功,上海航天人随口就是一系列专业术语:星务处理器双大脑,姿轨控计算机三核心,“时间-加速度”双关机策略,3000牛发动机和8台120牛推力器两重保险……这些都将是制动捕获的“利器”。

捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,又称为“踩刹车”。

“这脚刹车大有学问,早了、晚了、深了、浅了都不行,只有时机和时长分秒不差,才能形成理想的捕获轨道。”张玉花说,踩刹车的时机确定依赖于精确的轨道预报和精准的器地校时,踩刹车的时长取决于发动机和控制系统工作的可靠性。“如果制动点火时间过短,探测器速度过快,就会飞离火星,造成捕获任务失败。”

最远距地4亿公里,信号微弱如何破解

探测任务过程中,火星环绕器距离地面最远时将达4亿公里,地面的测控信号到达环绕器最长需要22分钟,一次一来一回的“对话”需要44分钟。

漫长的传输过程中,信号衰减极大,到达接收端的信号极其微弱,时间延迟是月球探测器的1000倍,信号衰减是月球探测器的100万倍。

深空探测器在重量资源有限、集成度要求极高的约束下,环绕器如何克服巨大的信号衰减、传输时延和空间电磁干扰?为此,研制团队成功研制了以超低灵敏度的数字化应答机,以及大口径可两维驱动天线为核心的X频段测控数传一体化测控系统。

超低灵敏度的应答机让环绕器练就武林高手才有的“听声辨位”本领,能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号,正确解析并执行地面的指令。同时,为适应大范围空间衰减变化,满足姿态、天线指向多变的需求,应答机还具备多档码率自适应接收的功能,实现了接收动态范围大于传统区间1000倍的跨越,与国际最先进应答机指标相当。

大口径可两维驱动天线,让环绕器练就一双“顺风耳”。通过精准的两维指向控制,将天线实时对准数亿公里外的地球,尽可能多的收集信号能量,并传递给应答机。同时,大口径天线也有“聚音成束”的能耐,将环绕器在火星看到的、感知到的信息,亿万里传音到地球。

在轨自主管理,深空中自己找路

通常来说,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。

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30天。“日凌”期间,环绕器需要“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。上海航天804所主管设计师秦奋说,该所通过研制高度集成的小型化综合电子系统,实现器务管理、遥测遥控、热控管理、配电管理、推进控制、机构驱动、数据存储功能的一体化,为综合信息自主管理奠定硬件基础。同时,通过关键技术攻关,可实现环绕器在轨自主运行大于30天的能力。

“火星环绕器在太空中,就像轮船漂泊在茫茫大海上,不同的是太空中没有北斗导航也没有GPS。”秦奋说,除了地面无线电导航支持外,环绕器配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器,具备自主定位的能力。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟
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