落火之后，天問(wèn)一號的“另一半”去哪了

　　

　　　　

　　

　　  2021年5月15日，中國成功實(shí)現火星著(zhù)陸，實(shí)現這一壯舉的是我國首次火星探測任務(wù)天問(wèn)一號探測器。

　　

　　

　　  鮮為人知的是，天問(wèn)一號探測器包括環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器兩部分。5月15日著(zhù)陸火星的是著(zhù)陸巡視器，那么天問(wèn)一號的“另一半”--環(huán)繞器去哪了？

　　

　　

　　  是的，它又回到了火星軌道，繼續在火星上空翱翔。5月15日凌晨4時(shí)許，天問(wèn)一號探測器成功實(shí)施環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器的“兩器分離”,3小時(shí)后，著(zhù)陸巡視器成功穿越火星大氣，在火星表面實(shí)現軟著(zhù)陸；兩器分離約30分鐘后，環(huán)繞器則進(jìn)行升軌，返回火星停泊軌道，成為著(zhù)陸巡視器與地球的通信中繼站，同時(shí)繼續進(jìn)行火星環(huán)繞探測。

　　

　　

　　  星際“專(zhuān)車(chē)”

　　

　　

　　  據中國航天科技集團八院環(huán)繞器副總設計師朱慶華介紹，為實(shí)現著(zhù)陸巡視器準確進(jìn)入火星著(zhù)陸軌道，環(huán)繞器需要首先在攜帶著(zhù)陸巡視器的情況下來(lái)到進(jìn)入火星的軌道，實(shí)施兩器分離后，環(huán)繞器需要迅速抬升軌道，而著(zhù)陸巡視器則進(jìn)入火星大氣層。

　　

　　

　　  這個(gè)分離前后的控制需要7個(gè)小時(shí)。

　　

　　

　　  作為搭載著(zhù)陸巡視器的星際“專(zhuān)車(chē)”,環(huán)繞器需要順序完成軌道降低發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火和關(guān)機、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火和關(guān)機等系列動(dòng)作。

　　

　　

　　  “這是一系列很關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機動(dòng)，稍有不慎，探測器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通訊時(shí)延的存在，我們并沒(méi)有辦法實(shí)時(shí)獲知探測器的狀態(tài)并對異常情況進(jìn)行干預。”朱慶華說(shuō)。

　　

　　

　　  在他看來(lái)，器器分離的過(guò)程是對控制算法精度、產(chǎn)品工作可靠性、故障預案周密性等最充分的考驗。

　　

　　

　　  實(shí)際上，明確了著(zhù)陸巡視器準確的著(zhù)陸點(diǎn)后，探測器的一系列機動(dòng)也就隨之確定下來(lái)了。在探測器進(jìn)行第一次降軌點(diǎn)火的3個(gè)小時(shí)前，航天設計師已上注所有控制策略，策略中包含了對可能發(fā)生情況的應對。

　　

　　

　　  分離時(shí)，環(huán)繞器的軌道控制精度和姿態(tài)控制精度是著(zhù)陸巡視器能否進(jìn)入預定著(zhù)陸區的前提。這些需要依賴(lài)敏感器、執行機構、計算機以及算法的準確性，是對探測器制導、導航與控制系統的一次“大考”.

　　

　　

　　  方案設計師王衛華打了個(gè)比方：這就好比在室外，距離標準籃筐980米進(jìn)行投籃，還必須事先考慮到投籃的角度、時(shí)機、投球力度，以及籃球自身旋轉運動(dòng)、風(fēng)速和風(fēng)向外部環(huán)境等種種因素的影響。

　　

　　

　　  同時(shí)，設計師們也做了不同情況下的預案和對策。當環(huán)繞器通過(guò)自身的敏感器發(fā)現沒(méi)有完成既定的動(dòng)作時(shí)，會(huì )自主帶著(zhù)著(zhù)陸巡視器迅速進(jìn)行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適的時(shí)機再次選擇執行兩器分離的一系列動(dòng)作。

　　

　　

　　  通信“中繼站”

　　

　　

　　  在此次火星探測任務(wù)中，環(huán)繞器不僅僅是一輛星際“專(zhuān)車(chē)”,它還是一座功能強大的通信“中繼站”,為火星表面巡視器與地球搭建通訊橋梁，肩負對火星表面進(jìn)行遙感探測的任務(wù)，同時(shí)選擇恰當的時(shí)機來(lái)將巡視器的數據“中繼”傳向地球。

　　

　　

　　  在距離地球2.93億公里的軌道上準確指向地球，相當于要在2米開(kāi)外瞄準繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運動(dòng)情況下，時(shí)刻保持瞄準狀態(tài)。

　　

　　

　　  朱慶華說(shuō)，環(huán)繞器攜帶有2塊太陽(yáng)電池陣、1幅高增益數據傳輸天線(xiàn)、1幅對巡視器數據中繼天線(xiàn)。在環(huán)繞器執行數據中繼任務(wù)時(shí)，需要驅動(dòng)太陽(yáng)電池陣對準太陽(yáng)方向以保證自身電能的供應，同時(shí)需要高增益天線(xiàn)跟蹤地球、中繼天線(xiàn)指向巡視器以建立數據“鵲橋”.“此時(shí)，環(huán)繞器需要同時(shí)實(shí)現對巡視器、地球、太陽(yáng)3個(gè)目標的高精度同步指向控制，絕對可以稱(chēng)得上是‘八面玲瓏’了。”制導、導航與控制系統主任設計師聶欽博說(shuō)。

　　

　　

　　  據他介紹，近地衛星通常是長(cháng)期對地穩定，使用全向天線(xiàn)，不會(huì )出現通訊鏈路中斷的問(wèn)題，而環(huán)繞器在環(huán)火飛行時(shí)與地球距離遠，由于天線(xiàn)波束角有限，設計師們要在確保對天線(xiàn)指向高精度控制的同時(shí)，對可能發(fā)生的通訊鏈路中斷做出預案。

　　

　　

　　  “我們設計了一種通訊鏈路中斷后的自主恢復策略。一旦發(fā)生通訊鏈路中斷，探測器就會(huì )‘自主慢旋',并在這一過(guò)程中，使天線(xiàn)掃到地球，進(jìn)而恢復通訊鏈路。這一過(guò)程也是環(huán)繞器自主實(shí)現。”軟件設計師周志元說(shuō)。

　　

　　

　　  如今，環(huán)繞器依然在穩定環(huán)火飛行，成為了著(zhù)陸巡視器與地球之間的通信橋梁，完成數據中繼任務(wù)后，它也將全力開(kāi)啟自己的環(huán)火遙感之旅。（記者 邱晨輝）