聰明能幹的「太空多面手」——專家揭秘「天問一號」上的火星環繞器
2020-07-25 新華社
長徵五號遙四運載火箭將「天問一號」探測器發射升空。新華社記者趙穎全攝
新華社北京7月24日電(記者張建松、胡喆、周琳)7月24日,《新華每日電訊》刊載題為《聰明能幹的「太空多面手」——專家揭秘「天問一號」上的火星環繞器》的報導。
「天問一號」由環繞器、著陸巡視器組成。其中，中國航天科技集團公司八院承擔了火星環繞器的研製重任。據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，火星環繞器採用「外部六面柱體＋中心承力錐筒」構型。環繞器不僅是地球到火星「行星際公路」上的飛行器，也是火星車與地球之間的中繼通信衛星，還能環繞火星進行科學探測，是一位名副其實的「太空多面手」。
(小標題）「行星際公路」上的飛行器
火星探測，首先要面對極其遙遠的星際旅途。即使是選擇地球與火星距離最短的時間窗口發射，「天問一號」地火飛行路徑也超過了4億公裡，這是地月距離的1000倍。
在這條孤寂、漫長的「行星際公路」上，火星環繞器的第一個角色是飛行器。由它負責攜帶火星著陸巡視器，以近10萬千米／小時（約30Km／s）的速度，飛行大約7個月時間，一起抵達火星軌道。
當火星環繞器攜帶著陸巡視器，終於擺脫了地球引力、踏上這條「行星際公路」的時候，旅途中，還需在地面測控系統的支持下，進行4－5次中途修正和一次深空機動修正飛行路徑，才能逐漸飛近火星。
器地距離越遠，通信時延越大。環繞器距離地球最遠時，單向通信延時達到22分鐘，一來一回通信將會延遲44分鐘；而在這漫長的傳輸過程中，信號衰減也極大，到達接收端的信號極其微弱。通信時延是月球探測器的1000倍，信號衰減是月球探測器的100萬倍。
此外，當探測器、地球和太陽位置處於同一直線時，太陽輻射幹擾地火之間射頻信號傳輸，還會導致通信中斷的「日凌」現象。在這次火星探測任務中，最長「日凌」達到30天。在此期間，火星環繞器必須獨自面對，依靠自身完成任務管理，並在出「日凌」後迅速自主與地球恢復聯繫。
如何解決如此複雜的超遠距離深空通信？據張玉花介紹，八院研製團隊開展了關鍵技術攻關，成功研製了以「超高靈敏度應答機」和「大口徑可兩維驅動天線」為核心的X頻段「測控數傳一體化」測控系統。
超高靈敏度應答機，能讓環繞器擁有「聽聲辨位」本領，在嘈雜的宇宙噪聲中，準確捕捉到一絲微弱的有用信號，正確解析並執行來自地球的指令。同時，具備多檔碼率的自適應接收功能，接收動態範圍大於傳統區間的1000倍。
大口徑可兩維驅動天線，裝有2.5m口徑的定向天線，仿佛給環繞器裝上了「順風耳」。通過精準的兩維指向控制，將天線實時對準數億公裡外的地球，儘可能多地收集信號能量，並傳遞給應答機。同時，大口徑天線還能「聚音成束」，將環繞器在火星看到的、感知到的信息，億萬裡「傳音」到地球。
(小標題）自主決定「太空剎車」
如果將地球與火星之間的「行星際公路」，比作一條以太陽為中心的橢圓形閉環高速，火星就相當於這條高速公路的一個出口。
經過長達約7個月風塵僕僕的星際跋涉，當火星環繞器攜帶著陸巡視器，在這條高速公路上駛往火星出口的時候，必須利用自身攜帶的推進劑點火減速，將飛行速度降下來，這就好比要踩一腳「太空剎車」。
這是極為關鍵的「一腳」，直接關係到我國此次火星探測任務成功與否，時機與分寸的把握非常重要。如果這一腳「太空剎車」踩早了，速度降得過低，環繞器就會墜入大氣層，撞擊火星；如果踩晚了，環繞器就不能被火星引力捕獲，出不了「高速」，從而飛離火星，圍繞著太陽公轉。
這一腳「太空剎車」有多難？根據計算，環繞器距離火星僅400km，相對火星的速度卻高達4－5km／s，剎車的「時間窗口」僅為半個小時左右。屆時，環繞器已距離地球大約1.93億公裡，無線電通信單向時延約11分鐘。顯然，所有的制動過程，都必須由環繞器獨立完成，自主執行「火星捕獲」策略。
據首次火星探測任務探測器系統副總師兼環繞器總設計師王獻忠介紹，獨自承擔「太空剎車」重任的環繞器，「耳聰目明」，行動決策「科學民主」，根據實際情況採用最優解。
環繞器上配備了光學導航敏感器和紅外導航敏感器，能自主進行定位。光學導航敏感器採用「恆星姿態識別＋硬脈衝校時」技術，確保時空對準，通過亞像素級圖像處理，獲取火星輪廓並解算出自身位置。紅外導航敏感器，採用複合的探測方式，通過對火星凝視成像，檢測火星圖像邊緣，輔助環繞器完成軌道測量。此外，環繞器在近火捕獲前，地面也將對其進行一次精確的無線電測定軌。結合環繞器上光學自主導航儀器的導航信息，得到環繞器和火星的精確位置。制動過程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測器處於「捕獲走廊」，直至進入環火軌道。
火星環繞器如此「聰明」，離不開八院研製的制導、導航及控制（GNC）分系統。姿軌控分系統的GNC單元，是火星環繞器飛行控制的「指揮員」。科研人員提出了三模冗餘計算機設計方案。三臺計算機相當於三個大腦，實時同步運轉，並進行最優表決，確保執行最優指令，以將火星環繞器送入火星軌道。
(小標題）為完成任務多次升降軌道
當火星環繞器攜帶著陸巡視器，終於進入了夢寐以求的環火軌道後，還將經過3－4次軌道調整，進入「停泊軌道」，以尋找合適的火星著陸區。
環繞器將在預著陸區開展成像探測，並將成像數據回傳至地球；當地面確認著陸條件滿足要求後，環繞器將擇機進行一次降軌機動，進入「火星進入軌道」，自主完成環繞器與著陸巡視器的分離。完成分離後，著陸巡視器進行火星大氣進入段的飛行；環繞器則立即進行升軌機動，將軌道拉起返回到「停泊軌道」。在停泊軌道上，再次進行軌道調整，進入「中繼軌道」後，為火星車提供中繼通信任務。
在中繼軌道上，環繞器運行大約3個月。中繼通信任務完成後，將在近火點進行制動降軌，進入「科學探測軌道」，並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。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。（完）
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