天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

2021年2月10日19時52分,中國航天再次迎來一個歷史性的時刻!經過長達七個月、累計202天、4.75億公里的漫長飛行之後,中國第一次火星探測任務「天問一號」探測器精準實施近火捕獲制動,成功進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10º的大橢圓環火軌道,成為我國第一顆人造火星衛星。

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

所謂火星制動捕獲,就是高速飛行的火星探測器在靠近火星時,主發動機長時間點火進行「剎車」,使探測器以大速度增量減速,從而能夠被火星的引力場所捕獲,進入環繞火星運行的軌道。

制動捕獲堪稱是火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一,因為制動捕獲的機會是唯一的,而且時間緊迫,控制難度極大。

在捕獲過程中,探測器發動機的點火時機、時長都必須分秒不差,才能進入理想的目標捕獲軌道。

如果探測器「剎車」太晚或是時長不夠,就會飛越火星,繼續圍繞太陽公轉,只能等待數年時間之後的下一個「制動窗口」。

如果探測器「剎車」太早或是「太急」,就有可能直接撞上火星。

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

天問一號拍攝的地月合影

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

天問一號傳回的第一張火星照片

在此之前,前蘇聯、美國、日本的火星探測任務都曾倒在「火星捕獲段」遭遇失敗。

1974年,前蘇聯火星4號在距離火星表面2200公里處制動發動機失效,與火星擦肩而過。

1999年,美國火星氣候軌道器星在實施火星制動捕獲時,軌道高度低於設計值,探測器進入火星大氣層被燒毀。

2020年,日本希望號火星探測器因為通信和電子系統損壞,制動捕獲失敗。

2010年12月,日本拂曉號金星探測器發動機故障,直接飛越金星,直到2015年12月才回到金星附近並捕獲成功,但已經到了壽命末期。

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

天問一號探測器的目標軌道距離火星最近只有400公里,而接近火星時的速度已高達28千米/小時,3000N軌道控制發動機必須在有限的軌道弧段上,在10分鍾的時間內,將自己的速度降低到大約1千米/小時。

這個階段,天問一號距離地球達1.92億公里,與地面通信的單向時間延遲就超過10.7分鍾,因此必須完全自主完成發動機的點火和關機,並克服發動機點火期間的擾動,實現點火方向、時長的精確控制。

天問一號設計了器務自主管理器雙大腦、姿軌控計算機三核心、測控通信多通道切換策略、發動機雙關機策略、3000N和120N發動機雙重保險等多項技術,極大地提升了系統的可靠性,確保制動捕獲成功。

成功實施火星制動捕獲,標志着中國首次火星探測任務「繞、落、巡」三大目標中的環繞目標順利達成,為後續探測器的着和巡視任務的順利實施奠定了基礎。

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

天問一號在後續的幾個月內還將進行多次軌道調整,進入火星停泊軌道,開展預選着陸區探測,計劃於2021年5月實施火星探測之旅中的另一項關鍵動作——環繞器和着陸巡視器「兩器分離」,最終實現火星着陸,開展巡視探測。

「兩器分離」環節需要探測器在約3個小時內首先變軌到存在撞擊火星風險的軌道上,建立並保持着陸器進入火星大氣所需要的姿態,而且姿態誤差必須小於0.01度。

到了預定分離的時刻,環繞器與着陸器必須迅速完成分離,而在經過安全距離飄飛過程後,環繞器需要立馬完成推力加速,回到安全的環繞火星軌道上。

這一過程中,無論是「降軌」還是「升軌」,都需要對時間有精準的把控,太早難以保證着陸器進入精度,太晚則會導致環繞器撞擊火星的風險。

天問一號探測器進入火星軌道:越過生死10分鍾 必須分秒不差

來源:cnBeta