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天問一號打卡1億公里——“探火”還要邁幾道坎

來源:中國青年報作者:邱晨輝責任編輯:安思翰
2020-09-01 09:28

科學大爆炸

天問一號打卡1億公里——

“探火”還要邁幾道坎

8月28日,我國首次火星探測任務天問一號探測器累計飛行1億公里。從7月23日成功發射算起,天問一號已在軌飛行約36天。

相比環繞地球飛行、降落月球表面,飛向火星并非易事。這將是一次漫長的太陽系之旅,按照專家的估算,到達火星時,天問一號距離地球約1.95億公里,實際飛行路程約4.7億公里,整個過程中還要歷經軌道修正、制動捕獲等難關。

現在的天問一號,已經成為一顆人造行星,在地火轉移軌道上,與地球、火星共同繞太陽公轉,并逐漸遠離地球,飛向火星。之前的1億公里,天問一號都經歷了什么,而未來的3億多公里,它還要邁哪幾道坎?

最后來一張地月合影

中國航天人追尋火星的腳步,在火箭飛行的過程中就已經開始了。7月23日12時41分,天問一號帶著十幾種不同功能的科學載荷,在萬眾期待中,踏上了奔向火星的漫漫征途。

“定向天線展開!”這是一個非常關鍵的控制,在4億公里的距離上,地面和探測器間傳送的無線電信號,將變得非常微弱,而展開這個近6平方米的“大鍋”非常重要,它能大幅提升傳輸信號強度。到了火星軌道,與地面遠距離通信就全靠它了。天線展開后,意味著中國探火之旅從此有了“生命線”。

出門遠行的第四天,天問一號飛行過程一切正常,但身邊沒有了熟悉的地球大氣,它只身旅行在黑色的宇宙海洋,而地球和月球變得越來越小。

天問一號拿出隨身攜帶的光學導航相機,為地球和月亮拍了一張合照。在這幅黑白合影圖像中,地球與月球一大一小,均呈新月狀,在茫茫宇宙中相互陪伴,仿佛正向人們微笑示意。

中國航天科技集團八院研制專家告訴記者,探測器在太空中,就像輪船航行在茫茫大海上,不同的是飛離地球后沒有衛星導航系統指引。與傳統的無線電導航不同,光學自主導航可以通過圖像目標識別和特征提取,完成位置、速度等導航信息的獲取。

“光學導航敏感器就好比探測器的‘眼睛’?!卑嗽嚎刂扑鈱W導航專家打了個比方,“有了這雙明亮的‘眼睛’,探測器也就有了自主能力,可以自己看著飛向目的地”。

在天問一號飛近火星的過程中,中國航天人將裝有長焦鏡頭的導航敏感器當作一只“千里眼”,最遠可以在1000萬公里的距離識別火星,還能自主適應火星從點目標到面目標、從弱目標到強目標的火星圖像提取,即使沒有外部導航信息,也能夠在深空飛行中自主找到前進的道路。

成為一顆人造行星

按照國際電信聯盟的定義,深空邊界為距離地球200萬公里遠的空間,7月29日,也就是天問一號入軌后6天,它成功突破這一邊界,正式成為太陽系中一顆遨游深空的人造行星。

截至8月25日23時,天問一號遠離地球的距離突破1000萬公里,累計行程達9329萬公里。北京航天飛行控制中心首次火星探測任務型號總師崔曉峰表示,是邊界就意味著一定程度上的挑戰極限,深空邊界也一樣,代表著超遠距離、超大時延的環境變化,這無疑是地面飛控人必須攻克的難關。

雖說條條大路通羅馬,但漫漫太空旅行要順利完成,一定要有科學嚴謹的態度。目前,天問一號處于無動力飛行狀態,在飛行過程中,受到入軌偏差、控制精度偏差等因素影響,微小的偏差會逐漸積累放大,因此,及時修正調節十分必要。

8月2日,天問一號探測器3000牛頓發動機工作20秒鐘,完成第一次軌道中途修正。

我國首次火星探測任務探測器系統環繞器技術副總負責人朱慶華說,很多汽車都具有車道保持功能,如果車偏離了自己的車道,就會自動修正方向,讓車回到原本的車道上來?;鹦翘綔y器的軌道修正與之類似,但不同的是,火星探測器要修正的不僅僅是飛行方向,還有飛行速度等多個變量。

他告訴記者,天問一號發動機開機時間確定為20秒鐘,軌道專家最終拿出了既能滿足發動機標定又實現地火轉移能量最優的控制策略。

據崔曉峰介紹,未知的太空意味著風險和挑戰,牽好地面和航天器的“通信線”至關重要。在照顧好天問一號的同時,飛控人還必須合理利用深空測控資源,實施了嫦娥四號著陸器、巡視器和中繼星的休眠喚醒,兼顧好在月球上的“老壽星”嫦娥三號著陸器,讓中國的“玉兔”能夠在月球背面繼續巡視探測。

未來的過五關斬六將

據中國首次火星探測任務探測器系統副總指揮兼環繞器總指揮張玉花介紹,在未來幾個月的飛行過程中,天問一號還將經過3-4次中途修正和1次深空機動修正,環繞器逐漸飛近火星,進入火星捕獲段。

這其中,火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高的環節之一,由于火星捕獲窗口的唯一性,捕獲的成敗決定了火星探測任務的成敗。這一點火制動過程,通常被稱為“踩剎車”。

張玉花說,“剎車”踩早了,探測器速度降得過低,探測器會墜入大氣層撞擊火星;踩晚了,探測器就不能被火星引力捕獲,從而飛離火星。

成功捕獲進入環火軌道后,火星探測器會進行一系列軌道調整,進入停泊軌道,將近火點調整到著陸點上空附近,并在每次經過近火點時,對巡視器著陸區域進行詳查,為著陸巡視器的下一步著陸做好準備。

張玉花說,探測器進入火星捕獲軌道后,經過3-4次軌道調整,將進入周期約兩個火星日的停泊軌道?;鹦翘綔y器會在停泊軌道運行約75天,開展12次預著陸區成像探測,并將成像數據回傳至地面,完成著陸巡視器預選落區的預探測。

她告訴記者,在完成3個月的火星中繼任務后,天問一號火星環繞器將在近火點進行制動降軌,進入科學探測軌道,并在該軌道上繼續運行1個火星年,執行火星全球遙感探測任務。

不過這一切都要等到幾個月之后才能實現。

北京飛控中心一位年輕的科技工作者說,第一個月,對天問一號和地面的航天人來說,都是新鮮且緊張的,天問一號猶如新生兒,每一天都處于新的位置,面對著新的環境。而航天人們則如新晉父母,要守護它,去應對每一個可能的挑戰。盡管很難,但這一切都將充滿意義——濃縮在十幾個月里,見證中國的問天之路。(邱晨輝)

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