天问一号开始绕火星飞行并首幅火星高清照

我国第一个火星探测器天问一号于腊月二十九成功被火星捕获,开始绕火星飞行,飞行的方向也已经通过一次平面机动从绕着火星的赤道飞变成了绕着火星的南北极飞。绕火星飞行,是我国第一次火星探测三步走任务“绕、着、巡”中的第一步,也是整个火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。2月5日,国家航天局公布了天问一号传回的首幅火星高清照。2月12日,天问一号绕火星飞行的影像也首次展现在公众面前。

火星是人类在太阳系中最近的邻居之一,现在,它和地球之间的距离大约为2亿公里。天问一号在经历近7个月的奔火旅程后,终于成功开始绕火星飞行。从它第一次绕火星飞行的视频中可以看到,火星大气、火星表面的环形地貌清晰可见。

从2020年7月发射,天问一号飞行距离已经超过了4.89亿公里,漫漫星路,它一直以太阳为中心飞行,目标就是在探测器到达火星轨道时,火星也刚好到达。从而实现被火星捕获,成为围绕火星飞行的一颗卫星。

航天科技集团八院天问一号环绕器副总设计师朱新波说: “可以理解成一辆车行驶在高速公路上,现在要出去进入匝道,时机不能早也不能晚。这个时候刹车就要求位置和速度,对当前位置和速度有比较精确的测量,同时还需要对刹车力的大小要有保证。”

从飞行轨道调整到探测器姿态调整,再到相对火星减速,整个近火过程细节多,要求高,堪称人类航天器探火的一个生死关口,也是完成后续任务重要的基础。

航天科技集团五院天问一号着陆巡视器总体主任设计师董捷说: “它是一次性不可逆的过程,如果发动机没有点火,或者说点火的姿态有问题就飞出去了,可以认为这个任务失败了。”

为了完成近火制动,天问一号不仅跑得远,也是自主化程度最高的一个。为了确保自己在茫茫太空飞行时能准确找到通往火星的出口,除了传统的无线电通信导航以外,天问一号第一次利用光学导航敏感器作为备份导航工具,这就是给探测器安上了一双眼睛,能让它自己判断在太空里的位置。

朱新波说: “它主要是通过拍摄火星,然后根据火星图像的大小,确定距离、确定火星跟探测器之间的方向,对轨道有自主的导航,在地面无线电失效的情况下,可以把自主导航数据接进去。”

2月10日,天问一号近火制动准时开始。要让天问一号顺利被火星捕获,要在15分钟左右的时间内,把探测器与火星的相对速度降低到可以被火星捕获到范围内,根据之前的设计方案,完成这一任务的主角是就探测器上一台3000N发动机,这是我国为了深空探测任务专门研制的发动机。近火制动过程中的点火,是它在天问一号任务中最重要的工作之一。

时延,是人类进行深空探索面临的共同难题。此前嫦娥探月时,时延只有一两秒,感觉并不明显,大多数时候地面还可以直接控制探测器的动作。但是,天问一号到达火星时,探测器发出的信号需要在宇宙空间里跑11分钟左右才能到达地球,地面上的操控人员即使能实时作出判断回复,到达探测器时又已经过去了11分钟,早就错过了合适的动作时机,因此判断动作时机到来时,天问一号需要自动执行任务。

朱新波说: “我们都是通过延时指令的形式去操作,延时指令实际上是什么意思呢?它是在原计划指令内容上加上一个时间,然后把这些指令发到探测器上之后,探测器会存储下来,然后根据这些时间标签去执行相应的动作,或者去触发一系列的动作。”

按照计划,近火捕获开始15分钟后发动机点火就会结束,即使加上11分钟的时延,26分钟后地面就能接到第一批遥测数据确认整个近火制动的情况,但是因为飞行的轨道设计,发动机点火开始后没多久,天问一号就飞到了火星的背面,称为火星的“星掩区”,此时,火星的遮挡完全中断了探测器和地球之间的通信。

2021年2月10日20时15分,火星遮挡收不到信号,此时,地面控制人员能做的只有一件事:等。这个时候探测器上一旦有任何问题,地面都一无所知,为了保证整个任务能顺利完成,在研发过程中,仅仅制动捕获的工作就设计了50多个故障预案。

2月10日,发动机点火几十分钟后,地面终于收到了来自天问一号的消息。成功被火星捕获后,天问一号解锁了新任务,接下来三个月,探测器在几次变轨后就要开启火星登陆准备模式。火星探测“绕、着、巡”三个任务听起来似乎是依次完成,但要在2亿公里外完成所有任务,许多动作都是相互交织,彼此关联。比如飞行轨道的设计,必须兼顾不同任务的需求,近火制动时进入“星掩区”就是这样一个平衡的结果。

航天科技集团五院天问一号探测器总体轨道主任设计师周文艳说: “在设计的时候如果以其他状态到达火星,它可以整个过程有通讯,但是对于后续完成其他任务会带来困难,着陆巡视器一进去,电源可能就会不够,达不到预期的目的。权衡任务约束,还是选择了它会进入星掩的状态。”

就在天问一号探测器一路奔火的途中,在地面,火星车1∶1复制的试验车还在不停进行地面验证,为着陆后可能遇到的情况做准备。跟月球上的玉兔车相比,火星车即将开始的火星漫步,不光要面临长时延带来的操控难题,还要面对火星上复杂的气候和地理环境。

航天科技集团五院天问一号火星车遥操作主任设计师张建利说: “在火星表面整个地形是崎岖的,像人一样,脚踩下去有可能就陷进去了,整个生命就结束了,还有沙尘暴什么时候来这些都是未知的。”

2月15日,天问一号进行了远火点平面机动,让探测器的飞行从绕着火星的赤道变成绕着火星南北极。再经过一次调整后将进入停泊轨道,这几次轨道的调整,就是为了让天问一号亲眼看一看之前选中的着陆点。

董捷说: “把轨道掰过来,掰成接近于垂直赤道平面的轨道,主要和后面任务进行衔接。可以过火星的纬度更高一些,我们在北纬20度到30度的着陆区停泊轨道,主要是保证每圈都能过着陆点。”

从发射后奔火到近火制动,这一路上,天问一号探测器并没有全部开机,负责飞行的主要是环绕器,火星车和着陆平台目前还在休眠中,何时将它们唤醒,让它们开始工作,关键就要看接下来三个月环绕器工作的结果。

朱新波说: “环绕器会利用携带的高分辨相机,对着陆巡视器预定的着陆区进行详细的地形、地貌探测,同时还会利用中分辨相机、红外矿物分析仪,对着陆区附近的大幅宽的大面积的区域进行沙尘暴探测,因为担心着陆的时候会有沙尘暴的影响,所以说在停泊轨道上,整个来讲就是会对着陆区的环境进行探测预报,为着陆器的着陆提供一个比较好的着陆环境预报,然后我们会择机跟着陆巡视器进行分离。”

而对环绕器而言,完成着陆预报后,它的工作还远没有结束,着陆巡视器如果能在火星表面正常开展工作,环绕器将为火星表面探测和地球的通信担当中继卫星,传递信号,而等到火星车三个月的工作计划结束后,环绕器还将继续长达一个火星年,相当于两个地球年的深度探测工作。

朱新波说: “三个月之后,我们会转入正式的科学任务轨道,在科学任务轨道上,要开始对火星的地形地貌、土壤结构、水冰分布,表面的物质成分以及火星的空间环境进行探测,最终会形成火星全球图。”

天问一号任务目标是通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测,从而拉开我国行星探测帷幕。目前,天问一号已经实现“绕”这一目标,成为火星的一颗人造卫星,这看似简单的任务却大有玄机,也和整个火星探测任务环环相扣,不仅有精确到秒的计算,也有前后期任务的相互配合。更重要的是,这也意味着中国航天器完全具备了行星际空间旅行的能力,接下来,让我们一起期待3个月后的火星着陆。

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