天問一號：為登上火星做好準備
2021-02-25 07:48 來源： 人民日報(bao)海外(wai)版
進入停泊軌道 開始科學探測
天問一號：為(wei)登上火星做好準備
2月24日，中國首(shou)次火(huo)星(xing)探(tan)測(ce)任務天問一(yi)號再傳喜訊。當(dang)日6時(shi)29分，天問一(yi)號探(tan)測(ce)器成功實施第三(san)次近火(huo)制動，進入近火(huo)點(dian)280千米(mi)、遠(yuan)火(huo)點(dian)5.9萬千米(mi)、周期兩個火(huo)星(xing)日的火(huo)星(xing)停(ting)泊軌(gui)道。
事實(shi)(shi)上，在剛剛過(guo)去(qu)的(de)春節(jie)假期，天問(wen)(wen)一(yi)(yi)號相當“忙碌”。2月(yue)10日(ri)，探測器抵(di)達火(huo)星(xing)軌道(dao)，成(cheng)為中國(guo)首顆人造火(huo)星(xing)衛星(xing)；2月(yue)12日(ri)，天問(wen)(wen)一(yi)(yi)號火(huo)星(xing)捕獲(huo)過(guo)程影像公(gong)開，從距離地球1.9億公(gong)里之外傳回(hui)新春的(de)祝福；2月(yue)15日(ri)，天問(wen)(wen)一(yi)(yi)號成(cheng)功實(shi)(shi)施捕獲(huo)軌道(dao)遠火(huo)點平面機動……
進入停泊(bo)軌(gui)道(dao)后，天問(wen)一號探測(ce)器(qi)將在此運(yun)行約3個月，環繞器(qi)7臺載荷將全部開機，開始(shi)科學探測(ce)，并為擇機著陸火星做好準(zhun)備(bei)。
制(zhi)動捕獲闖(chuang)難關
天問(wen)一號探測器在經過長(chang)途(tu)飛行后，如(ru)何及時制動并最(zui)(zui)終被火星捕獲(huo)，是任務中風險最(zui)(zui)高、難度最(zui)(zui)大的環(huan)節(jie)之一，直接關系(xi)到(dao)探測任務的成敗。
捕獲過程難(nan)在哪(na)兒？探測(ce)器(qi)(qi)抵(di)達火星(xing)軌(gui)道附近(jin)時，距離(li)火星(xing)只有400公里(li)，但(dan)相(xiang)對火星(xing)的速度(du)(du)卻高達4至5公里(li)每秒。因此，探測(ce)器(qi)(qi)必須點火制動、及(ji)時“剎車”。否則，如(ru)(ru)果制動時間(jian)過長、剎車踩早了，探測(ce)器(qi)(qi)就會一頭撞向(xiang)火星(xing)；如(ru)(ru)果時間(jian)過短(duan)、晚踩剎車，探測(ce)器(qi)(qi)就會因速度(du)(du)過快而飛離(li)火星(xing)，無法進入環繞軌(gui)道。
在此過程中(zhong)，探測器能夠被(bei)火星(xing)引力捕(bu)獲的機(ji)會僅有(you)一次(ci)，“窗口期”更(geng)是(shi)只有(you)半個小時(shi)。要想實現完(wan)美(mei)捕(bu)獲，天(tian)問(wen)一號不僅要靠(kao)地面的指令，更(geng)要在關鍵時(shi)刻依靠(kao)自己的“智慧”進行決斷(duan)。
在歷次嫦(chang)娥探(tan)月(yue)(yue)(yue)任務中(zhong)，中(zhong)國(guo)成功(gong)實(shi)施了(le)多(duo)次近月(yue)(yue)(yue)制(zhi)(zhi)動(dong)。雖(sui)然同樣(yang)是制(zhi)(zhi)動(dong)，近火制(zhi)(zhi)動(dong)的(de)難度要比(bi)近月(yue)(yue)(yue)制(zhi)(zhi)動(dong)更大。地月(yue)(yue)(yue)平均距(ju)離約(yue)38萬公里，單向(xiang)通信(xin)(xin)時延只(zhi)有1秒左(zuo)右。大多(duo)數(shu)情況下，地面可以直接控(kong)制(zhi)(zhi)月(yue)(yue)(yue)球探(tan)測器(qi)的(de)動(dong)作。但(dan)天問一號探(tan)測器(qi)被火星(xing)(xing)捕獲時，火星(xing)(xing)探(tan)測器(qi)距(ju)離地球約(yue)1.9億公里，單向(xiang)通信(xin)(xin)時延達10分(fen)鐘以上。地面無(wu)法對制(zhi)(zhi)動(dong)過程進(jin)行實(shi)時監控(kong)，只(zhi)能(neng)依靠探(tan)測器(qi)自主(zhu)執行捕獲策略(lve)，這對于環(huan)繞器(qi)的(de)自主(zhu)導(dao)航與控(kong)制(zhi)(zhi)提出(chu)了(le)極高要求。
專家表示，為了精確(que)(que)把控(kong)發(fa)動機的(de)開(kai)關時(shi)機，環繞器(qi)(qi)(qi)在近(jin)火捕(bu)獲前(qian)需要由地(di)(di)面(mian)對其(qi)進行(xing)(xing)精確(que)(que)的(de)無(wu)線電測定軌(gui)。除了無(wu)線電通信導航外，天問一(yi)號還首次(ci)利用光學導航敏感器(qi)(qi)(qi)作(zuo)為備份導航工具，通過探(tan)測器(qi)(qi)(qi)上的(de)一(yi)雙(shuang)“眼睛”實時(shi)觀測環繞器(qi)(qi)(qi)和(he)火星的(de)精確(que)(que)位置。地(di)(di)面(mian)團隊(dui)可借此更直觀地(di)(di)確(que)(que)認飛行(xing)(xing)軌(gui)道和(he)姿態，計(ji)算圖像中(zhong)火星的(de)幾何中(zhong)心和(he)視半徑。天問一(yi)號可以(yi)通過最優估計(ji)算法自主獲取實時(shi)位置和(he)速度信息，依靠可靠的(de)捕(bu)獲策略，確(que)(que)保進入環火軌(gui)道。
據了解，這是(shi)中國首次在行星(xing)際轉移飛行過程中應用光學自(zi)主導(dao)航技術，中國也(ye)由此成為(wei)世(shi)界上第二個掌(zhang)握并在軌驗證火(huo)星(xing)光學自(zi)主導(dao)航技術的國家。
此外，在(zai)制動過(guo)程中，環繞器(qi)需要在(zai)自身出現突發(fa)狀況時自主完成(cheng)相應處理(li)，以最大限(xian)度保證火星捕(bu)獲成(cheng)功(gong)。為(wei)了解決(jue)超遠(yuan)距離通信(xin)問(wen)題，火星環繞器(qi)還裝備了測控數(shu)傳一體化系(xi)統，實現了系(xi)統重量(liang)輕、通信(xin)效(xiao)率(lv)高、通信(xin)鏈路可(ke)靠的目標。
多維探測“打(da)前站(zhan)”
成功被火(huo)(huo)星捕獲并完成“繞、著、巡”的(de)第一(yi)步(bu)后(hou)，天問一(yi)號還有(you)多項新任務——既要對(dui)火(huo)(huo)星開展多維度探測，更要為下一(yi)步(bu)著陸火(huo)(huo)星做(zuo)好準備(bei)。
2月15日(ri)(ri)，天問一(yi)號進行遠火(huo)點平面(mian)機動(dong)，探測(ce)器的飛行從繞著(zhu)火(huo)星(xing)赤道(dao)變成繞著(zhu)火(huo)星(xing)南北極。2月24日(ri)(ri)，探測(ce)器經(jing)過(guo)第三(san)次近(jin)火(huo)制動(dong)進入火(huo)星(xing)停泊軌道(dao)。專家表示，這幾次軌道(dao)的調整，就是為了讓天問一(yi)號“考察(cha)”之前選中(zhong)的著(zhu)陸點。
天問一(yi)號的(de)探(tan)測器(qi)(qi)(qi)(qi)由環(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)和著(zhu)陸(lu)巡(xun)(xun)視(shi)器(qi)(qi)(qi)(qi)兩部分組成。從發射到近火(huo)(huo)制動(dong)的(de)過程中，環(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)主(zhu)要(yao)承(cheng)擔(dan)飛(fei)行任(ren)務；火(huo)(huo)星(xing)(xing)捕獲后，環(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)將(jiang)(jiang)為(wei)著(zhu)陸(lu)巡(xun)(xun)視(shi)器(qi)(qi)(qi)(qi)進行著(zhu)陸(lu)預報；成功釋(shi)放著(zhu)陸(lu)巡(xun)(xun)視(shi)器(qi)(qi)(qi)(qi)后，環(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)將(jiang)(jiang)作(zuo)為(wei)通信(xin)器(qi)(qi)(qi)(qi)，為(wei)著(zhu)陸(lu)巡(xun)(xun)視(shi)器(qi)(qi)(qi)(qi)建(jian)立與地球之間的(de)中繼通信(xin)鏈路；火(huo)(huo)星(xing)(xing)車(che)3個(ge)(ge)月的(de)工作(zuo)結束(shu)后，環(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)還將(jiang)(jiang)繼續進行長(chang)達一(yi)個(ge)(ge)火(huo)(huo)星(xing)(xing)年即將(jiang)(jiang)近兩個(ge)(ge)地球年的(de)深(shen)度探(tan)測。
據專家介紹(shao)，為(wei)了給火星(xing)車和著(zhu)陸(lu)平臺“打前站”，環繞(rao)器(qi)將用攜帶的中分和高分相機(ji)、磁強計、礦物(wu)光譜分析(xi)儀(yi)等設備對(dui)(dui)火星(xing)開展多維度探(tan)測(ce)，包括對(dui)(dui)預定著(zhu)陸(lu)區進行詳細(xi)的地形、地貌探(tan)測(ce)，對(dui)(dui)著(zhu)陸(lu)區附近大(da)(da)幅(fu)寬、大(da)(da)面積的區域(yu)進行沙塵暴探(tan)測(ce)，為(wei)火星(xing)探(tan)測(ce)任務第二步的“著(zhu)”提供預報(bao)，并(bing)擇機(ji)實施火星(xing)著(zhu)陸(lu)。
在(zai)天問(wen)一號探(tan)測器一路奔火(huo)的途中，中國首輛(liang)火(huo)星車(che)1∶1復制(zhi)試驗車(che)仍在(zai)持續進行地面(mian)驗證，為(wei)著陸后可能遇(yu)到的情況做準(zhun)備。著陸巡視器在(zai)火(huo)星表面(mian)軟(ruan)著陸成(cheng)(cheng)功(gong)后，火(huo)星車(che)將(jiang)在(zai)科(ke)學任(ren)務軌道(dao)上對火(huo)星的地形地貌、土壤結構、水冰分布、表面(mian)的物質成(cheng)(cheng)分以及火(huo)星的空間環境進行探(tan)測，最終將(jiang)形成(cheng)(cheng)火(huo)星全球圖(tu)。
麒麟、哪吒、追夢、星(xing)火(huo)(huo)(huo)(huo)……盡管中國火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)車(che)(che)的姓名尚未(wei)最終出(chu)爐，但其(qi)“百般武藝”早已(yi)深(shen)入(ru)人心。火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)車(che)(che)配(pei)備(bei)了能避開障(zhang)礙、實施前行實時探(tan)測(ce)(ce)的全(quan)景相(xiang)機，識別礦(kuang)物質成分的多光譜相(xiang)機。同時，火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)車(che)(che)還(huan)裝有4個“翅膀”——太(tai)陽能電池板。除此之外，火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)車(che)(che)還(huan)配(pei)有探(tan)測(ce)(ce)雷(lei)達、磁場探(tan)測(ce)(ce)儀和(he)氣象測(ce)(ce)量(liang)儀，可以對火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)進(jin)行全(quan)方位探(tan)測(ce)(ce)。裝在火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)車(che)(che)上的次(ci)表層(ceng)探(tan)測(ce)(ce)雷(lei)達將對火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)地表以下10米甚至100米深(shen)度的火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)內部結(jie)(jie)構進(jin)行“透(tou)視(shi)”，探(tan)測(ce)(ce)巡(xun)視(shi)區(qu)表面土(tu)壤厚度、冰層(ceng)結(jie)(jie)構，獲(huo)取火(huo)(huo)(huo)(huo)星(xing)地表和(he)次(ci)表層(ceng)超寬帶全(quan)極化回波數據，并(bing)探(tan)測(ce)(ce)巡(xun)視(shi)區(qu)次(ci)表層(ceng)結(jie)(jie)構，獲(huo)取次(ci)表層(ceng)地質結(jie)(jie)構數據。
中國首輛火(huo)星(xing)車的(de)設計壽命為90個火(huo)星(xing)日(ri)。由于火(huo)星(xing)上(shang)的(de)一(yi)天比地球(qiu)略長（火(huo)星(xing)自轉周(zhou)期約(yue)為24小時37分(fen)鐘），因此火(huo)星(xing)車將(jiang)在火(huo)星(xing)上(shang)工(gong)作(zuo)92個地球(qiu)日(ri)。
與環繞器火(huo)星捕獲相似，由于地火(huo)遠(yuan)距離數據傳輸的(de)時延，要求火(huo)星車必須具有很高的(de)自主能力。同時，火(huo)星光照強度小，再加上火(huo)星大氣對(dui)陽光的(de)削減作用(yong)，火(huo)星車能源供(gong)給比月球車更為困(kun)難——這些因素都使得火(huo)星探(tan)測(ce)任務更具難度和復雜性。
