视频|天问一号开启太空征途 上海航天成就探火星之旅

看看新闻Knews记者 汤铭

2020-07-23 13:33:36

7月23日中午12点41分,随着长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场的成功发射,我国首次火星探测任务“天问一号”正式开启。从1961年至今,人类已实施火星探测活动达40多次,但成功和部分成功的比例不到一半,难度可想而知。而在这次天问一号任务中,探测器经过长途飞行达到火星附近时,如何能成功被火星的引力场捕获,进入环绕火星轨道,是整个任务中技术风险最高、最为关键的环节之一,而且机会只有一次。执行这一“太空刹车”任务的环绕器是由中国航天科技集团八院,也就是上海航天负责总体设计和研制的。


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我国的火星探测器由环绕器、着陆巡视器组成。其中,环绕器部分是由上海航天抓总研制的,它在此次任务中将涉及地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信和科学探测等五个主要环节。其中,火星捕获是整个任务成败的最主要关键点之一。


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发射成功后,天问一号探测器在未来200天左右的时间中将历经超过4亿公里的飞行,于明年二月前后到达火星的引力势场以内,届时探测器被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会只有一次。为了把握住这唯一的机会,环绕器在接近火星后必须要进行急刹车。而且这一脚“太空刹车”风险非常高:踩早了,速度降得过低就会坠入大气层撞击火星;踩晚了,就不能被火星引力捕获,从而飞离火星。再加上此时探测器距离地球近1.93亿公里,通讯时延近11分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,因此只能依靠探测器自主执行捕获策略。


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为了确保这次制动捕获万无一失,上海航天组织了精兵强将展开了一系列技术攻关,做到精确把控发动机的开关时机。中国航天科技集团八院509所副所长火星专家王伟告诉记者,为了精确把控发动机的开关时机,环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨,再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息,得到环绕器和火星的精确位置。制动过程中,依靠可靠的捕获策略,确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火轨道。此外,制动过程还需要火星环绕器具备自主应对器上突发故障能力,确保火星捕获过程开展顺利可靠。


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在探测任务过程中,火星环绕器距离地面最远达到了4亿公里,地面的测控信号到达环绕器最长需要22分钟,进行一次一来一回的“对话”需要44分钟,一旦遇到问题往往来不及依靠地面指令对探测器进行实时处理。再加上深空探测器与地面站通信存在独特的“日凌”现象,也就是当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时,太阳辐射会干扰地火之间射频信号传输,导致通信中断,而本次火星探测任务最长“日凌”将达到30天。因此,这就需要环绕器有极强的自主管理能力,及时应变解决各种可能出现的问题。


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为此,研制团队为环绕器安装了2.5米的大口径可两维驱动天线,让环绕器练就一副神话故事里的顺风耳,通过精准的两维指向控制,架起地球和火星间的通信鹊桥。同时,环绕器上还装上了两台光学导航敏感器,有了这对火眼金睛,即使没有外部导航信息,火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。中国航天科技集团八院509所副所长火星专家王伟介绍,通过设计多系统多模式器上信息综合自主处理方法,能保证一级故障任务正常执行,二级故障整器安全。通过关键技术攻关,可实现环绕器在轨自主运行大于30天的能力。而两台导航敏感器实现了环绕器不同阶段的精确位置自主确定,即使没有外部导航信息,火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。


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环绕器从近地球轨道飞行到火星环绕轨道阶段,随着与太阳的距离越来越远,环境越来越恶劣,也给电源分系统带来了一系列的考验。而当火星车着陆后,在火星平均太阳光强只有地球的0.43,再加上沙尘暴来了以后,太阳帆板上的火星尘也有可能会降低能源转化的效率。为了克服这一系列困难条件,上海航天的电源系统研制团队展开了一次“极限挑战”。


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811所电源专家徐泽锋透露,为了确保在0.4光照强度下太阳电池发电功率满足整器能源需求,我们首次将三结砷化镓太阳电池置于0.1光照强度下进行电性能测试,经过对设备的多次调试,最终获得了稳定的0.1光照强度下的太阳电池输出特性。另外,火星车上的太阳帆板做了专门的镀膜,它的透光性非常好,这样就能尽量把本来比较弱的太阳光的能量获取出来进行发电。为了解决火星尘掉落在太阳帆板上遮挡住太阳光的问题,研制人员采用了纳米结构的分子材料,这样火星尘的附着力会降低,当帆板发生侧滑和抖动的时候,火星尘会倾斜掉,这样会清理太阳帆板,保证太阳的光照强度。


在此次天问一号任务中,从探测器由地球飞往火星、到在火星轨道停泊、直至火星车开始工作之前的整整10个月的探测任务,都将由上海航天研制的火星环绕器独自承担。期间,火星制动捕获、长期自主管理,以及地火间远距离测控通信等一系列关键技术难点的攻克,也将填补我国在深空探测技术领域的多项空白。


(看看新闻Knews记者:汤铭 编辑:祝闻豪)

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