7月23日13時25分,我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場,用長徵五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器,成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國行星探測第一步。天問一號探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後,到達火星附近,通過「剎車」完成火星捕獲,進入環火軌道,並擇機開展著陸、巡視等任務,進行火星科學探測。
世界首次
一步實現「繞、著、巡」
火星是離地球較近且環境最相似的星球,一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。目前,人類已對火星實施了44次探測任務,其中成功了24次,火星是目前人類認識最深入的行星之一。
我國首次火星探測任務起步雖晚,但起點高、跨越大,從立項伊始就瞄準當前世界先進水平確定任務目標,明確提出在國際上首次通過一次發射,完成「環繞、著陸、巡視探測」三大任務。相比月球探測,火星探測任務的難度更大。由於火星相對地球距離較為遙遠,對發射、軌道、控制、通信和電源等技術領域都提出了很高的要求。
中國航天科技集團八院「天問一號」探測器系統副總師兼環繞器總設計師王獻忠介紹,研製團隊不僅攻克了火星制動捕獲、長期自主管理等關鍵技術難點,更實現了地火間的超遠距離測控通信,並將通過環繞探測實現火星全球性、綜合性探測,完成火星表面重點地區高精度、高解析度精細詳查。
臨門一腳
制動捕獲「踩剎車」
火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一,在火星探測器從地球飛向火星的過程中,能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。
此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公裡,而此時探測器相對火星的速度高達4到5公裡每秒,一不留神就會撞擊火星或飛離,捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。
在這一制動捕獲過程中,火星環繞器面臨諸多挑戰。由於捕獲時探測器距離地球1.93億公裡,單向通信時延達到10.7分鐘,地面無法對這一制動過程進行實時監控,只能依靠探測器自主執行捕獲策略。此外,在制動過程中,環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理,最大限度保證火星捕獲成功。
首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑介紹,捕獲過程中,火星環繞器需要準確地進行點火制動,如果制動點火時間過長,探測器速度下降過多,探測器就會一頭撞上火星,如果制動點火時間過短,探測器速度過快,就會飛離火星從而無法進入環繞軌道,這對環繞器的自主導航與控制提出了極高要求。
4億公裡
超遠距離深空通信
環火飛行階段,由於地球和火星的運行規律,探測器距離地球最遠達到4億公裡。為了解決超遠距離通信問題,火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統,實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。
為補償空間衰減,火星環繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動的定向天線,大幅度提高探測器到地球通信能力。
自主管理
需要會思考的「大腦」
通常情況下,環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由於探測器到地球的距離遠,通信延時大,無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。
此外,環繞器與地面站通信有其空間的特殊性,導致通信中斷(「日凌」)的時間最長可達30天,其間需依靠自身完成長期任務管理,並在出「日凌」後及時調整天線指向,迅速重新與地面建立聯繫。
據悉,在此次火星探測任務的關鍵節點,自主管理同樣需要發揮巨大作用。在火星探測器進行環繞器與著陸巡視器分離時,環繞器需在短時間內完成3次調姿和2次變軌,對姿態及位置測量及控制精度要求非常高。
多樣載荷
給火星拍個「中式定妝照」
此次火星環繞器上共搭載7種有效載荷,可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測。
其中中解析度相機可對火星全球開展地形地貌普查,高解析度相機可對火星重點地區開展局部高解析度地形地貌詳查,將為火星拍下來自中國的「定妝照」。
（新華社）