奔火路上，“天問(wèn)一號”如何打好“漂移”、踩好剎車(chē)，并識別多樣復雜的環(huán)火軌道？所有這些，離不開(kāi)航天科技集團五院總體設計部軌道設計團隊的星際引航。下面，就讓我們一起來(lái)聽(tīng)聽(tīng)“天問(wèn)一號”軌道設計團隊怎么說(shuō)……

 

        奔火路上需要中途修正和深空機動(dòng)

 

        自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，踏上奔火高速路的“天問(wèn)一號”已經(jīng)完成了4次軌道中途修正和一次深空機動(dòng)。與嫦娥系列探測器在地月空間飛行不同，“天問(wèn)一號”是在進(jìn)行星際航行，發(fā)射升空3天后就已經(jīng)徹底脫離了地球的引力場(chǎng)。為了確保它能夠順利奔火，航天五院悉心為它設計了最優(yōu)的飛行軌道，并制定了詳細、全面的控制策略，助力“天問(wèn)一號”在導航中精準飛行。

 

        在地火轉移的高速路上，“天問(wèn)一號”長(cháng)期處于無(wú)動(dòng)力飛行狀態(tài)，難免會(huì )受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動(dòng)因素的影響，與預定軌道產(chǎn)生一定的偏離。為了更接近理論軌道飛行，它就需要輕轉“方向盤(pán)”、慢踩“油門(mén)”，通過(guò)中途修正的方式來(lái)進(jìn)行飛行方向和速度的細節調整。

 

        在高速奔火的路上，深空機動(dòng)是“天問(wèn)一號”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機動(dòng)是控制量更大的軌控動(dòng)作，使探測器通過(guò)一次大轉彎或者大漂移，從地球的公轉面進(jìn)入到火星的公轉面，精確瞄準火星飛行。“從軌道設計的角度來(lái)說(shuō)，深空機動(dòng)主要是為了調整探測器繞日軌道的尺寸和傾角，以滿(mǎn)足到達火星的需求。”軌道負責人周文艷研究員這樣解釋。

 

        只有一次機會(huì )，必須精準踩下剎車(chē)

 

        第4次中途修正后，“天問(wèn)一號”保持著(zhù)平穩的飛行軌跡抵達火星附近。在中國人民歡度春節的日子里，火星迎來(lái)了新的探尋者。從地火轉移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道，需要通過(guò)近火制動(dòng)來(lái)實(shí)現火星捕獲，從而完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。

 

        “天問(wèn)一號”需要準確識別通往火星的高速路標并剎車(chē)慢行，在通往環(huán)火軌道的“匝道”上謹慎行駛。“對于軌道設計來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳剎車(chē)力道大小極為考究——踩得太輕，就會(huì )飛離火星；踩得太重，則會(huì )對后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設計師高珊形象地描述。

 

        完成第4次中途修正，“天問(wèn)一號”便進(jìn)入到合適的窗口期，必須精準地踩下剎車(chē)，即通過(guò)近火制動(dòng)實(shí)現火星捕獲，一步到位邁入預定環(huán)火軌道。對于“天問(wèn)一號”來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機會(huì )，因為下一次合適的窗口期是在2033年。

 

        另一個(gè)對軌道控制帶來(lái)巨大挑戰的是通信延時(shí)。由于探測器距離地球太過(guò)遙遠，即將踏入環(huán)火軌道的“天問(wèn)一號”與地球的通信延遲超過(guò)10分鐘——這意味著(zhù)無(wú)法對火星捕獲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和快速應對。面對這樣一段“視覺(jué)盲區”，軌道設計團隊協(xié)同控制系統進(jìn)行了近千種故障工況的分析，確定了關(guān)鍵參數及閾值，編寫(xiě)了近兩百份故障預案，以保證火星探測器在地面無(wú)法實(shí)時(shí)控制的情況下，對可能發(fā)生的情況進(jìn)行恰當的判斷和反應。

 

        通過(guò)復雜的軌道控制來(lái)保證“泊車(chē)”

 

        這是中國的航天器首次抵達火星附近，要一次實(shí)現“繞、著(zhù)、巡”三個(gè)目標，軌道設計的難度很高。

 

        “天問(wèn)一號”火星探測器由環(huán)繞器與著(zhù)陸巡視器組成。為了保證著(zhù)陸巡視器順利著(zhù)陸火星，“天問(wèn)一號”需要通過(guò)復雜的軌道控制來(lái)保證“泊車(chē)”。

 

        據悉，完成火星捕獲后，進(jìn)入環(huán)火軌道的“天問(wèn)一號”將面臨更大的考驗：在遠火點(diǎn)進(jìn)行一次平面機動(dòng)，調整飛行的軌道傾角，為后續“泊車(chē)”工作奠定基礎；回到近火點(diǎn)時(shí)，要“慢踩剎車(chē)”，邁入到停泊調相軌道，并對軌道周期進(jìn)行調整，以保證軌跡經(jīng)過(guò)預定的著(zhù)陸點(diǎn)；在停泊調相軌道再次到達近火點(diǎn)時(shí)，“天問(wèn)一號”需要進(jìn)行第三次剎車(chē)進(jìn)入停泊軌道，并多次維持在該軌道上對著(zhù)陸區拍攝成像，保證能夠在預定時(shí)間、地點(diǎn)完成著(zhù)陸巡視器的著(zhù)陸。

 

        “妥善完成前面步驟后，‘天問(wèn)一號’再次減速進(jìn)入停泊軌道，對著(zhù)陸區拍攝成像，并選擇合適的位置，完成‘泊車(chē)’的最后一步——環(huán)繞器與著(zhù)陸巡視器分離，著(zhù)陸巡視器進(jìn)入火星大氣。”軌道設計團隊的工作人員強調。