火星面前,天問一號“剎車”有多難
近火制動是火星探測過程中的重要節(jié)點之一,有一定風(fēng)險。其風(fēng)險主要包括幾方面,比如制動捕獲只有一次機會,機不可失;制動的時機、時長、力度等都必須十分精準(zhǔn)。
楊宇光 中國航天科工集團二院研究員
2月5日,國家航天局發(fā)布了天問一號火星探測器拍攝的首幅火星圖像。圖中火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長的峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。
拍攝這張照片時,天問一號與地球的距離達到1.8億多千米,離火星大約有220萬千米。
據(jù)國家航天局消息,天問一號于當(dāng)日晚間啟動發(fā)動機,順利完成地火轉(zhuǎn)移段第四次軌道中途修正,以確保后續(xù)動作準(zhǔn)確實施。此后它還要完成近火制動,被火星捕獲,進入環(huán)火軌道,成為火星的一顆衛(wèi)星,并對火星進行觀測,為著陸火星做準(zhǔn)備。
中國航天科工集團二院研究員楊宇光向科技日報記者介紹說,近火制動是火星探測過程中的重要節(jié)點之一,有一定風(fēng)險。其風(fēng)險主要包括幾方面,比如制動捕獲只有一次機會,機不可失;制動的時機、時長、力度等都必須十分精準(zhǔn)。此外,探測器抵達火星時與地球距離遠(yuǎn),通信延時長,地面無法實時監(jiān)視和控制,整個制動過程必須由探測器自主完成,這對探測器的自主控制提出了很高要求。
制動時機和時長需分秒不差
按照軌道動力學(xué)規(guī)律,當(dāng)航天器接近一個天體時,如果不采取任何措施,它將與這個天體擦肩而過,整個過程形成一個雙曲線軌道。
楊宇光說,在接近過程中,航天器受天體引力影響,速度會越來越快,在距離最近時達到峰值。如果此時航天器不制動,它會逐漸遠(yuǎn)離該天體,速度慢慢下降,最后擺脫引力飛離天體。
這一規(guī)律決定著,如果想從轉(zhuǎn)移軌道進入環(huán)繞天體運行的軌道,航天器就必須實施制動減速。
全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹,探測器實施制動減速時,要先調(diào)整飛行姿態(tài),將發(fā)動機噴管朝向前方,等時機恰當(dāng)時點火開機,以此降低探測器的速度。整個制動過程的控制必須十分精準(zhǔn)。
楊宇光介紹,各國探測器飛往火星基本都采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道,天問一號也是如此。對于以太陽為中心的引力場來說,這就是一條連接地球與火星的橢圓形軌道。當(dāng)探測器抵達火星附近后,如果沒有制動或制動力不夠,它會脫離火星引力繼續(xù)環(huán)繞太陽運行,下次再跟火星交會就不知是何年何月了。這也就是前文所說制動捕獲機會的唯一性。
反之,如果力道過猛也不行。
楊宇光說,探測器制動捕獲有一個原則,軌道越低,發(fā)動機越省能量,制動效率也就越高。但對于距離上億公里的火星,探測器的位置測量和控制都可能出現(xiàn)誤差,如果制動點的軌道高度過低,可能導(dǎo)致探測器撞向火星表面。
同時,探測器并不是在某一個點把速度降到多少,而是在一個飛行弧段內(nèi)持續(xù)減速,制動點火的時間需要精密計算和精準(zhǔn)控制。如果制動時間過長導(dǎo)致制動力度過大,探測器也會面臨墜毀的風(fēng)險。
“只有剎車時機和時長都分秒不差,才能形成理想的捕獲軌道?!饼嬛普f。
與“嫦娥”制動有所不同
此前我國已成功實施的歷次探月任務(wù)中,嫦娥系列探測器均圓滿完成了近月制動,積累了豐富經(jīng)驗。不過天問一號面臨的近火制動,與“嫦娥姐妹”有所不同。
最顯著的區(qū)別源自距離。
地球與月球之間的平均距離約為38.44萬千米,對于測控通信來說,延時不過約1秒鐘。而天問一號實施近火制動時,地球與火星的距離超過1.8億千米,單向通信延時達到10分鐘以上。楊宇光說,這種情況下地面無法對探測器進行實時監(jiān)控,需要提前上傳指令,到時候讓探測器自主執(zhí)行。
理論上,探測器的自主性可以通過設(shè)計來實現(xiàn)。例如制動時需要把速度降低多少,可以根據(jù)發(fā)動機推力計算需要開機的時間,照此控制。但實際上并非如此。
楊宇光說,任務(wù)過程中會有很多不確定性,比如發(fā)動機推力可能存在細(xì)微偏差,飛行器的位置、速度、姿態(tài)只能通過測量獲得,各種變數(shù)使得自主控制的復(fù)雜程度大大增加。
因此,自主控制絕非只靠地面準(zhǔn)備指令,探測器執(zhí)行就能完成,而要大量依賴于測量手段。為了確保測量準(zhǔn)確,在執(zhí)行關(guān)鍵動作的飛行器上都有多個傳感器,通過多種途徑和不同手段,結(jié)合地面測量數(shù)據(jù),判斷測量結(jié)果是否精確。在執(zhí)行指令時,也會通過傳感器來反饋執(zhí)行情況。當(dāng)遇到意外情況,來不及等待地面處理時,探測器也會自行判斷,然后按照預(yù)案自行應(yīng)對。
此外,天問一號重達5噸多,不僅超過“嫦娥”系列探測器,甚至在世界各國行星探測器中也居首位。而它配備的,則是一臺3000牛的發(fā)動機,會不會有點“小馬拉大車”?要知道,3.78噸重的嫦娥四號,主發(fā)動機推力可是達到了7500牛。
對此楊宇光表示,嫦娥四號的發(fā)動機要兼顧近月制動和月面著陸使用,因而需要較大推力。對于天問一號來說,3000牛發(fā)動機確實偏小,但這是權(quán)衡各方利弊之后的選擇。
楊宇光說,衡量發(fā)動機性能最重要的指標(biāo)是比沖,比沖越高,相同條件下推進劑能產(chǎn)生的速度增量越大。但從另一方面說,比沖越高,發(fā)動機的質(zhì)量越大,或者說,在同樣比沖情況下,發(fā)動機推力越大,體積和質(zhì)量就越大。
但對于天問一號而言,則希望發(fā)動機盡量小,能把更多重量和空間留給載荷。
在兩個互相矛盾的指標(biāo)之間,設(shè)計人員做出了權(quán)衡。目前的方案既能滿足載荷的需要,也能滿足制動的要求,無非是把制動點火時間延長一點而已。
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制動失敗的那些探測器
由于近火制動有一定風(fēng)險,因此過去一些火星探測器在進入火星軌道時,曾出現(xiàn)過各種故障。
蘇聯(lián)1973年7月21日發(fā)射的火星4號探測器,于1974年2月在距離火星表面2200千米處飛越,由于制動發(fā)動機失效而沒有切入火星軌道。
1992年9月25日,美國火星觀察者探測器升空。它在太空飛行了約11個月,在1993年8月21日,也就是計劃進入火星軌道前3天發(fā)生了故障,與地面失去了聯(lián)系。據(jù)判斷,探測器失聯(lián)的原因可能是推進系統(tǒng)的燃料運輸管道破裂。
日本于1998年7月3日發(fā)射的希望號火星軌道器,自發(fā)射升空以后故障不斷。按計劃,希望號應(yīng)于2003年12月14日到達離火星表面894千米位置,然后進入環(huán)火軌道,但由于其電路系統(tǒng)受太陽風(fēng)暴影響出現(xiàn)故障,變軌發(fā)動機無法啟動而導(dǎo)致任務(wù)失敗。
最冤的一次失敗來自美國的火星氣候軌道器。1999年9月23日,該探測器本應(yīng)在80—90千米高度進入火星大氣層,但在軌道切入操作中,地面人員犯下了致命的低級錯誤。在探測器飛行系統(tǒng)軟件中,使用的是英制單位“磅”計算推進器動力,而地面人員輸入方向校正量和推進器參數(shù)時,用的卻是公制單位“牛頓”。兩種單位的混淆造成了導(dǎo)航誤差,使探測器直到距離火星僅57千米時才減速切入,最終導(dǎo)致探測器解體。
本報記者 付毅飛
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