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  • 科普|天问一号成功“泊车” 着陆前还要经历这几道坎

    时间:2021-02-24 13:50:40  来源:东方网  作者:

    天问一号运行阶段示意图

    东方网记者解敏2月24报道:北京时间今晨6时29分,火星探测任务“天问一号”探测器成功实施第三次近火制动,成功进入火星停泊轨道。探测器将在停泊轨道上运行约3个月,为择机着陆火星做好准备。

    “天问一号”探测器自2020年7月23日成功发射以来,已在轨飞行215天,目前距离地球2.12亿千米。

    什么是近火制动?

    “天问一号”自发射以来已经经历了三次近火制动,什么是近火制动?为什么要多次制动?它对整个火星探测任务又意味着什么?

    探测器制动俗称“刹车”,也就是减速。由于“天问一号”以椭圆形轨迹绕火星飞行,运行至离火星较近的一侧称为“近火点”,离火星较远的一侧则称为“远火点”。当运行到“近火点”时,探测器通过减速刹车来调整到不同的运行轨道,着陆前“天问一号”一共将进行五次近火制动。

    此前“天问一号”在2月10日实施制动捕获,进入到环火轨道中;2月15日在远火点进行了一次平面机动,调整飞行的轨道倾角,使绕火星飞行的轨道从横着绕变为竖着绕,由于横着绕的时候看不到火星的“两级”,变为竖着绕后,将更有利于实现全球遥感成像任务。2月20日当“天问一号”再次回到近火点时,它再一次慢踩刹车,准备更换线路,迈入到停泊调相轨道,对轨道周期进行相应调整;今天已经是“天问一号”的第三次近火制动,“泊车”的过程可谓驾轻就熟,目前设备状态正常,各项飞控工作正常开展。

    进入火星停泊轨道后,探测器才真正抵达合适的高度,“天问一号”将在停泊轨道上开展环绕探测工作,环绕器的7台载荷将全部开机,开始科学探测。载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等将对预选着陆区地形地貌、沙尘天气等进行远距离“调查”,并把危险点标记出来,为3个月后的择机着陆火星做好准备。

    近火制动与近月制动有何不同?

    此前我国已成功实施的探月任务中,嫦娥系列探测器均圆满完成了近月制动,积累了丰富经验。不过“天问一号”面临的近火制动,与“嫦娥姐妹”有所不同。最显著的区别是距离。地球与月球之间的平均距离约为38.44万千米,通信延时可以控制在1秒钟以内。而地球与火星的距离最远时达4亿千米,单向通信延时达到10分钟以上。这种情况下地面无法对探测器进行实时监控,需要提前上传指令,探测器的每一步动作都需要自主执行。

    由于近火制动过程中会有很多不确定性,比如发动机推力可能存在细微偏差,飞行器的位置、速度、姿态等等,各种变数使得自主控制的复杂程度超乎想象。自主控制要大量依赖于测量手段,通过多种途径和不同手段,结合地面测量数据,判断测量结果是否精确。在执行指令时,也会通过传感器来反馈执行情况。当遇到意外情况,探测器也会自行判断,然后按照预案自行应对。

    此外,重达5吨多的“天问一号”配备的是一台3000牛的发动机,而3.78吨重的嫦娥四号,主发动机推力达到7500牛。这是因为嫦娥四号的发动机要兼顾近月制动和月面着陆使用,因而需要较大推力。对于“天问一号”来说,则希望能把更多重量和空间留给载荷。设计人员在权衡后,在满足载荷的需要的基础上,通过延长制动点火时间来满足近火制动的要求。

    天问一号”后续还要迈过几道关?

    后续“天问一号”还要迈过两道难关。第一道难关,要寻找一个非常好的小窗口,让它进入到火星大气并完成着陆。天问一号的首选着陆点位于火星乌托邦平原南端,计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆。由于火星大气的密度是地球大气的1%左右。“天问一号”在减速着陆过程中不仅要依靠大气减速、气动减速、降落伞减速,还要靠反推发动机减速,最后靠陆腿吸收火星表面着陆撞击的能量,这个过程非常难。

    第二道难关,软着陆在火星表面后,“天问一号”还要把尚未命名的火星车释放到火星表面上,让它动起来,并开展探测。因为我国目前对火星表面的环境认知还相当少,要成功地让火星车上6个科学仪器顺利发挥作用,开展科学探测,这个过程难度也很大。

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