中國首次火星探測任務環繞火星成功
2021-02-13 11:08 作者：dl001 來源：北京青年報 閱覽：
2月10日19時52分，中國首次火星探測任務「天問一號」探測器實施近火捕獲制動，環繞器3000牛軌控發動機點火工作約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400千米，週期約10個地球日，傾角約10°的大橢圓環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實現「繞、著、巡」第一步「繞」的目標，環繞火星獲得成功。
北京青年報記者從國家航天局瞭解到，首次火星探測任務由地火轉移階段進入火星捕獲階段後，「天問一號」環繞器攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷將陸續開始工作，對火星開展多維度探測。
自2020年7月23日成功發射以來，「天問一號」探測器已累計飛行202天，完成1次深空機動和4次中途修正，抵達火星時飛行里程約4.75億千米，距離地球約1.92億千米，器地通信單向時延約10.7分鐘，各系統狀態良好。
據悉，後續「天問一號」還將經過多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計畫於2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。
據介紹，火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發動機長時間點火，使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場捕獲，進入繞火軌道。作為火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，制動捕獲的機會是唯一的，關係著整個工程任務的成敗。
北青報記者從國家航天局瞭解到，捕獲過程中，火星環繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。
揭秘
多項「黑科技」助航天器飛抵火星
在「天問一號」順利實施近火制動、完成火星捕獲、準確進入火星軌道的過程中，距離地球1.9億公里的「天問一號」與地球之間的通信延時近11分鐘。地面如何得知火星探測器是否已進入正確軌道？其準確位置在哪裡？工作狀態怎麼樣？從地球向其發出的指令能否正確傳達並被準確執行？這些關鍵環節都要靠中國航天科技集團的多款擁有自主智慧產權的「黑科技」產品。
如何確保探測器順利進入捕獲走廊？
此次火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統的深空測控網通過接收探測器持續發射的高穩定度無線電信號，經過連續計算獲得高精度的軌道數據，從而確保探測器能夠在預定時間、預定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。
由於捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
自2020年7月23日發射以來，研製團隊已持續開展202天在軌飛行控制任務，完成四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。
如何「踩刹車」？
制動捕獲，簡單來說就是通過發動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為「踩刹車」。但到底如何「踩刹車」？面對這一難題，「天問一號」交出了一份高分答卷。
開車的人都知道，在高速公路下匝道時需要讓車速降下來才能安全過彎。對於以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在「捕獲窗口」對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成「刹車」。理論上，給探測器一個反嚮推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現過程中，仍會遇到不少問題。
火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向和點火時長的精確控制。
「在失去地面實時測控的環境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自主執行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。」中國航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華說。
哪些「黑科技」助航天器飛抵火星？
火星環繞器的捕獲制動是本次火星探測任務的難點之一。火星環繞器在捕獲火星軌道時，要保證火星環繞器精確入軌，就需要九院研製的火星環繞器GNC分系統加表組合。它能實現對環繞器的加速度進行精確測量，控制系統通過返回參數控制發動機實施制動操作，從而使探測器能夠準確進入火星軌道。
在進入火星軌道時，探測器需要實施近火制動。此時探測器距離地球近1.9億公里，發動機點火時間為1000多秒，屆時通信延時近11分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控。這時就該九院自主研製的X頻段深空應答機出場了。為研製這一深空領域國內首臺X頻段高靈敏數字化應答機，研製人員攻克了4億公里地火遠距離通信技術等多項關鍵技術難題，達到了國際先進水準。
隨著「天問一號」與地球距離的持續增大，地面接收到的信號變得極其微弱。這對測控通信系統來說是前所未有的考驗。為此，我國自主研製成功了運用天線組陣技術的深空測控系統，用於接收探測器從數億公裡外發出的信號，同時將地面指揮控制命令發往探測器。九院為該系統研製了世界一流水準的天線組陣信號採集與數據記錄、信號合成及解調處理設備兩個關鍵分系統設備。同時，深空應答機與深空測控天線組陣設備共同構成了火星探測器與地球的唯一資訊橋梁，關係到整個任務的成敗。
鏈接
火星最近有點兒「擠」
火星近期將變得有點擁擠：美國、中國和阿聯酋都在2020年7月的地球-火星發射「窗口期」發射了火星探測器，三個探測器都計畫於本月抵達火星。
其中，阿聯酋的「希望號」火星探測器2月9日已經進入火星軌道，正式開始為期2年的軌道飛行探測活動。與中、美的火星表面探測任務不同，「希望號」將只是圍繞火星進行各項測量工作，研究火星大氣及火星日週期和季節週期，獲得火星氣候變化的普遍規律。
美國的「毅力號」火星車預計將於2月18日在火星表面著陸，成為美國在火星上投放的第五輛火星車。目前火星上還有美國「機遇號」和「勇氣號」兩個火星探測器在工作，美國通過這兩個火星探測器獲得了豐富的火星數據。據外媒報道，「毅力號」將直接在火星傑澤羅隕石坑實施軟著陸，目標是尋找火星上的生命跡象，並採集火星地質樣本。
中國的「天問一號」也有火星登陸器和火星探測車的活動。「天問一號」在環繞火星軌道飛行一段時間後，計畫於今年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。（記者 雷嘉 通訊員 楊璐）
北京青年報記者從國家航天局瞭解到，首次火星探測任務由地火轉移階段進入火星捕獲階段後，「天問一號」環繞器攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷將陸續開始工作，對火星開展多維度探測。
自2020年7月23日成功發射以來，「天問一號」探測器已累計飛行202天，完成1次深空機動和4次中途修正，抵達火星時飛行里程約4.75億千米，距離地球約1.92億千米，器地通信單向時延約10.7分鐘，各系統狀態良好。
據悉，後續「天問一號」還將經過多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計畫於2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。
據介紹，火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發動機長時間點火，使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場捕獲，進入繞火軌道。作為火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，制動捕獲的機會是唯一的，關係著整個工程任務的成敗。
北青報記者從國家航天局瞭解到，捕獲過程中，火星環繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。
揭秘
多項「黑科技」助航天器飛抵火星
在「天問一號」順利實施近火制動、完成火星捕獲、準確進入火星軌道的過程中，距離地球1.9億公里的「天問一號」與地球之間的通信延時近11分鐘。地面如何得知火星探測器是否已進入正確軌道？其準確位置在哪裡？工作狀態怎麼樣？從地球向其發出的指令能否正確傳達並被準確執行？這些關鍵環節都要靠中國航天科技集團的多款擁有自主智慧產權的「黑科技」產品。
如何確保探測器順利進入捕獲走廊？
此次火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統的深空測控網通過接收探測器持續發射的高穩定度無線電信號，經過連續計算獲得高精度的軌道數據，從而確保探測器能夠在預定時間、預定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。
由於捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
自2020年7月23日發射以來，研製團隊已持續開展202天在軌飛行控制任務，完成四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。
如何「踩刹車」？
制動捕獲，簡單來說就是通過發動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為「踩刹車」。但到底如何「踩刹車」？面對這一難題，「天問一號」交出了一份高分答卷。
開車的人都知道，在高速公路下匝道時需要讓車速降下來才能安全過彎。對於以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在「捕獲窗口」對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成「刹車」。理論上，給探測器一個反嚮推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現過程中，仍會遇到不少問題。
火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向和點火時長的精確控制。
「在失去地面實時測控的環境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自主執行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。」中國航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華說。
哪些「黑科技」助航天器飛抵火星？
火星環繞器的捕獲制動是本次火星探測任務的難點之一。火星環繞器在捕獲火星軌道時，要保證火星環繞器精確入軌，就需要九院研製的火星環繞器GNC分系統加表組合。它能實現對環繞器的加速度進行精確測量，控制系統通過返回參數控制發動機實施制動操作，從而使探測器能夠準確進入火星軌道。
在進入火星軌道時，探測器需要實施近火制動。此時探測器距離地球近1.9億公里，發動機點火時間為1000多秒，屆時通信延時近11分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控。這時就該九院自主研製的X頻段深空應答機出場了。為研製這一深空領域國內首臺X頻段高靈敏數字化應答機，研製人員攻克了4億公里地火遠距離通信技術等多項關鍵技術難題，達到了國際先進水準。
隨著「天問一號」與地球距離的持續增大，地面接收到的信號變得極其微弱。這對測控通信系統來說是前所未有的考驗。為此，我國自主研製成功了運用天線組陣技術的深空測控系統，用於接收探測器從數億公裡外發出的信號，同時將地面指揮控制命令發往探測器。九院為該系統研製了世界一流水準的天線組陣信號採集與數據記錄、信號合成及解調處理設備兩個關鍵分系統設備。同時，深空應答機與深空測控天線組陣設備共同構成了火星探測器與地球的唯一資訊橋梁，關係到整個任務的成敗。
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火星最近有點兒「擠」
火星近期將變得有點擁擠：美國、中國和阿聯酋都在2020年7月的地球-火星發射「窗口期」發射了火星探測器，三個探測器都計畫於本月抵達火星。
其中，阿聯酋的「希望號」火星探測器2月9日已經進入火星軌道，正式開始為期2年的軌道飛行探測活動。與中、美的火星表面探測任務不同，「希望號」將只是圍繞火星進行各項測量工作，研究火星大氣及火星日週期和季節週期，獲得火星氣候變化的普遍規律。
美國的「毅力號」火星車預計將於2月18日在火星表面著陸，成為美國在火星上投放的第五輛火星車。目前火星上還有美國「機遇號」和「勇氣號」兩個火星探測器在工作，美國通過這兩個火星探測器獲得了豐富的火星數據。據外媒報道，「毅力號」將直接在火星傑澤羅隕石坑實施軟著陸，目標是尋找火星上的生命跡象，並採集火星地質樣本。
中國的「天問一號」也有火星登陸器和火星探測車的活動。「天問一號」在環繞火星軌道飛行一段時間後，計畫於今年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。（記者 雷嘉 通訊員 楊璐）
