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“天问一号”成功进入环火轨道 揭秘“火星之旅”新看点

2021-02-11 13:03来源:中国新闻网关注:

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效果图 中国航天科技集团八院 供图

  “说走就走”的旅行?不,没那么简单

  这次“天问一号”成功刹车进入环绕火星轨道,意义重大,因为“火星旅行”可不是说走就能走的。要出发,需要高达70km/s(公里每秒)的逃逸速度,而目前运载火箭所能提供的最大逃逸速度仅为15km/s左右。

  为了尽量节省能量,我们要等待地球与火星公转到特定的相对位置时发射火星探测器。根据公转周期计算,地球与火星的交会周期为约778天(即约26个月),也就是说地球与火星每隔26个月才会出现一次“发射窗口”(每次窗口约持续20天),一旦错过一次“发射窗口”,就只能等下一次了。因此,2020年计划中的火星探测任务中,除了中国的天问一号火星探测器,还有美国的“毅力”号火星车,以及当地时间2月9日刚宣布成功进入火星轨道的阿联酋“希望”号火星探测器。

  离不开“猪排”的“星际高速公路”

  根据2020年的发射窗口,中国航天科技集团研制团队完成了地球至火星的转移轨道设计,为探测器量身定制了一条通往火星的“星际高速公路”。

  说到“地-火转移轨道设计”,不能不说到“Pork-Chop”(猪排)。设计师们在进行行星际探测轨道设计时,会针对不同发射日期与到达日期,绘制所需要发射能量的等高线图,这张等高线图酷似两块猪排,“Pork-Chop”之名由此在业内叫开。

  为了尽可能让火星探测器多带点仪器设备,对火星一次看个够,轨道设计师们需要找到一条最省能量的地火转移轨道。为此,设计师们首先要将复杂的地火转移轨道设计简化为一个“地球+火星”的二体引力模型,通过求解该模型,得到窗口中每一对发射与到达日期所需要的能量,从而绘制出发射能量等高线“猪排”。然后,以“猪排”图上选定的日期作为初值,采用微分修正等数学方法,在一定精度的火星探测轨道动力学模型中经过迭代计算,得到用于飞行任务使用的“地-火转移轨道设计”结果。

  一气呵成的高难度“跳水”

  在成功“刹车”进入环绕火星轨道后,环绕器数月后还将实施“火星之旅”的另一项关键动作——器器分离。

  在约3个小时的时间内,环绕器需要变轨到危险的撞击火星轨道,建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态(姿态误差小于0.01度)。在预定分离时刻,环绕器与着陆器必须完成分离,经过安全距离飘飞过程后,环绕器需要迅速完成推力加速,以回到安全的环绕火星轨道。

  形象地说,环绕器犹如一名优秀的跳水运动员,要完成一次空中高难度的翻腾和时间精准的入水。并且,环绕器这一系列姿态机动“翻腾”和器器分离“入水”动作必须一气呵成。“入水”太早,难以保证着陆器进入精度,“入水”太晚,则会造成环绕器撞击火星的风险,这组“超难度动作”还需要在没有地面实时测控支持的情况下自主完成。据悉,研制团队仔细考量分离过程的潜在风险,已设计了姿态测量、速度计算、推力输出等各因素出现故障情况下的自主处置预案。(完)

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