天問(wèn)一號(hào)：為登上火星做好準(zhǔn)備

2021-02-25 07:48 來(lái)源： 人民日?qǐng)?bào)海外版

進(jìn)入停泊軌道 開(kāi)始科學(xué)探測(cè)
天問(wèn)一號(hào)：為登上火星做好準(zhǔn)備

2月24日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)再傳喜訊。當(dāng)日6時(shí)29分，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入近火點(diǎn)280千米、遠(yuǎn)火點(diǎn)5.9萬(wàn)千米、周期兩個(gè)火星日的火星停泊軌道。

事實(shí)上，在剛剛過(guò)去的春節(jié)假期，天問(wèn)一號(hào)相當(dāng)“忙碌”。2月10日，探測(cè)器抵達(dá)火星軌道，成為中國(guó)首顆人造火星衛(wèi)星；2月12日，天問(wèn)一號(hào)火星捕獲過(guò)程影像公開(kāi)，從距離地球1.9億公里之外傳回新春的祝福；2月15日，天問(wèn)一號(hào)成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)……

進(jìn)入停泊軌道后，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器將在此運(yùn)行約3個(gè)月，環(huán)繞器7臺(tái)載荷將全部開(kāi)機(jī)，開(kāi)始科學(xué)探測(cè)，并為擇機(jī)著陸火星做好準(zhǔn)備。

制動(dòng)捕獲闖難關(guān)

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途飛行后，如何及時(shí)制動(dòng)并最終被火星捕獲，是任務(wù)中風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到探測(cè)任務(wù)的成敗。

捕獲過(guò)程難在哪兒？探測(cè)器抵達(dá)火星軌道附近時(shí)，距離火星只有400公里，但相對(duì)火星的速度卻高達(dá)4至5公里每秒。因此，探測(cè)器必須點(diǎn)火制動(dòng)、及時(shí)“剎車”。否則，如果制動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、剎車踩早了，探測(cè)器就會(huì)一頭撞向火星；如果時(shí)間過(guò)短、晚踩剎車，探測(cè)器就會(huì)因速度過(guò)快而飛離火星，無(wú)法進(jìn)入環(huán)繞軌道。

在此過(guò)程中，探測(cè)器能夠被火星引力捕獲的機(jī)會(huì)僅有一次，“窗口期”更是只有半個(gè)小時(shí)。要想實(shí)現(xiàn)完美捕獲，天問(wèn)一號(hào)不僅要靠地面的指令，更要在關(guān)鍵時(shí)刻依靠自己的“智慧”進(jìn)行決斷。

在歷次嫦娥探月任務(wù)中，中國(guó)成功實(shí)施了多次近月制動(dòng)。雖然同樣是制動(dòng)，近火制動(dòng)的難度要比近月制動(dòng)更大。地月平均距離約38萬(wàn)公里，單向通信時(shí)延只有1秒左右。大多數(shù)情況下，地面可以直接控制月球探測(cè)器的動(dòng)作。但天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器被火星捕獲時(shí)，火星探測(cè)器距離地球約1.9億公里，單向通信時(shí)延達(dá)10分鐘以上。地面無(wú)法對(duì)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲策略，這對(duì)于環(huán)繞器的自主導(dǎo)航與控制提出了極高要求。

專家表示，為了精確把控發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)時(shí)機(jī)，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對(duì)其進(jìn)行精確的無(wú)線電測(cè)定軌。除了無(wú)線電通信導(dǎo)航外，天問(wèn)一號(hào)還首次利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器作為備份導(dǎo)航工具，通過(guò)探測(cè)器上的一雙“眼睛”實(shí)時(shí)觀測(cè)環(huán)繞器和火星的精確位置。地面團(tuán)隊(duì)可借此更直觀地確認(rèn)飛行軌道和姿態(tài)，計(jì)算圖像中火星的幾何中心和視半徑。天問(wèn)一號(hào)可以通過(guò)最優(yōu)估計(jì)算法自主獲取實(shí)時(shí)位置和速度信息，依靠可靠的捕獲策略，確保進(jìn)入環(huán)火軌道。

據(jù)了解，這是中國(guó)首次在行星際轉(zhuǎn)移飛行過(guò)程中應(yīng)用光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)，中國(guó)也由此成為世界上第二個(gè)掌握并在軌驗(yàn)證火星光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)的國(guó)家。

此外，在制動(dòng)過(guò)程中，環(huán)繞器需要在自身出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)自主完成相應(yīng)處理，以最大限度保證火星捕獲成功。為了解決超遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題，火星環(huán)繞器還裝備了測(cè)控?cái)?shù)傳一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標(biāo)。

多維探測(cè)“打前站”

成功被火星捕獲并完成“繞、著、巡”的第一步后，天問(wèn)一號(hào)還有多項(xiàng)新任務(wù)——既要對(duì)火星開(kāi)展多維度探測(cè)，更要為下一步著陸火星做好準(zhǔn)備。

2月15日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)，探測(cè)器的飛行從繞著火星赤道變成繞著火星南北極。2月24日，探測(cè)器經(jīng)過(guò)第三次近火制動(dòng)進(jìn)入火星停泊軌道。專家表示，這幾次軌道的調(diào)整，就是為了讓天問(wèn)一號(hào)“考察”之前選中的著陸點(diǎn)。

天問(wèn)一號(hào)的探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成。從發(fā)射到近火制動(dòng)的過(guò)程中，環(huán)繞器主要承擔(dān)飛行任務(wù)；火星捕獲后，環(huán)繞器將為著陸巡視器進(jìn)行著陸預(yù)報(bào)；成功釋放著陸巡視器后，環(huán)繞器將作為通信器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通信鏈路；火星車3個(gè)月的工作結(jié)束后，環(huán)繞器還將繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)一個(gè)火星年即將近兩個(gè)地球年的深度探測(cè)。

據(jù)專家介紹，為了給火星車和著陸平臺(tái)“打前站”，環(huán)繞器將用攜帶的中分和高分相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、礦物光譜分析儀等設(shè)備對(duì)火星開(kāi)展多維度探測(cè)，包括對(duì)預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的地形、地貌探測(cè)，對(duì)著陸區(qū)附近大幅寬、大面積的區(qū)域進(jìn)行沙塵暴探測(cè)，為火星探測(cè)任務(wù)第二步的“著”提供預(yù)報(bào)，并擇機(jī)實(shí)施火星著陸。

在天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器一路奔火的途中，中國(guó)首輛火星車1∶1復(fù)制試驗(yàn)車仍在持續(xù)進(jìn)行地面驗(yàn)證，為著陸后可能遇到的情況做準(zhǔn)備。著陸巡視器在火星表面軟著陸成功后，火星車將在科學(xué)任務(wù)軌道上對(duì)火星的地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)、水冰分布、表面的物質(zhì)成分以及火星的空間環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，最終將形成火星全球圖。

麒麟、哪吒、追夢(mèng)、星火……盡管中國(guó)火星車的姓名尚未最終出爐，但其“百般武藝”早已深入人心。火星車配備了能避開(kāi)障礙、實(shí)施前行實(shí)時(shí)探測(cè)的全景相機(jī)，識(shí)別礦物質(zhì)成分的多光譜相機(jī)。同時(shí)，火星車還裝有4個(gè)“翅膀”——太陽(yáng)能電池板。除此之外，火星車還配有探測(cè)雷達(dá)、磁場(chǎng)探測(cè)儀和氣象測(cè)量?jī)x，可以對(duì)火星進(jìn)行全方位探測(cè)。裝在火星車上的次表層探測(cè)雷達(dá)將對(duì)火星地表以下10米甚至100米深度的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行“透視”，探測(cè)巡視區(qū)表面土壤厚度、冰層結(jié)構(gòu)，獲取火星地表和次表層超寬帶全極化回波數(shù)據(jù)，并探測(cè)巡視區(qū)次表層結(jié)構(gòu)，獲取次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

中國(guó)首輛火星車的設(shè)計(jì)壽命為90個(gè)火星日。由于火星上的一天比地球略長(zhǎng)（火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時(shí)37分鐘），因此火星車將在火星上工作92個(gè)地球日。

與環(huán)繞器火星捕獲相似，由于地火遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時(shí)，火星光照強(qiáng)度小，再加上火星大氣對(duì)陽(yáng)光的削減作用，火星車能源供給比月球車更為困難——這些因素都使得火星探測(cè)任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。