向着火星,天问出发! 中国首次火星探测任务探测器成功发射
7月23日13时25分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国行星探测第一步。天问一号探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后,到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。
世界首次 一步实现“绕、着、巡”
火星是离地球较近且环境最相似的星球,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。目前,人类已对火星实施了44次探测任务,其中成功了24次,火星是目前人类认识最深入的行星之一。
我国首次火星探测任务起步虽晚,但起点高、跨越大,从立项伊始就瞄准当前世界先进水平确定任务目标,明确提出在国际上首次通过一次发射,完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。相比月球探测,火星探测任务的难度更大。由于火星相对地球距离较为遥远,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术领域都提出了很高的要求。
中国航天科技集团八院“天问一号”探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍,研制团队不仅攻克了火星制动捕获、长期自主管理等关键技术难点,更实现了地火间的超远距离测控通信,并将通过环绕探测实现火星全球性、综合性探测,完成火星表面重点地区高精度、高分辨率精细详查。
临门一脚 制动捕获“踩刹车”
火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一,在火星探测器从地球飞向火星的过程中,能够被火星引力所捕获的机会只有一次。
此次火星探测任务捕获时探测器距离火星仅400公里,而此时探测器相对火星的速度高达4到5公里每秒,一不留神就会撞击火星或飞离,捕获的成功与否成为火星探测任务成败的关键。
在这一制动捕获过程中,火星环绕器面临诸多挑战。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里,单向通信时延达到10.7分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。此外,在制动过程中,环绕器需要在自身出现突发状况时自主完成相应处理,最大限度保证火星捕获成功。
首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰介绍,捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,如果制动点火时间过长,探测器速度下降过多,探测器就会一头撞上火星,如果制动点火时间过短,探测器速度过快,就会飞离火星从而无法进入环绕轨道,这对环绕器的自主导航与控制提出了极高要求。
4亿公里 超远距离深空通信
环火飞行阶段,由于地球和火星的运行规律,探测器距离地球最远达到4亿公里。为了解决超远距离通信问题,火星环绕器装备了测控数传一体化系统,实现了系统重量轻、通信效率高、通信链路可靠的目标。
为补偿空间衰减,火星环绕器配置了大功率行波管放大器以及大口径可驱动的定向天线,大幅度提高探测器到地球通信能力。
自主管理 需要会思考的“大脑”
通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但火星环绕器由于探测器到地球的距离远,通信延时大,无法完全依靠地面指令对星上出现的突发状况进行实时处理。
此外,环绕器与地面站通信有其空间的特殊性,导致通信中断(“日凌”)的时间最长可达30天,其间需依靠自身完成长期任务管理,并在出“日凌”后及时调整天线指向,迅速重新与地面建立联系。
据悉,在此次火星探测任务的关键节点,自主管理同样需要发挥巨大作用。在火星探测器进行环绕器与着陆巡视器分离时,环绕器需在短时间内完成3次调姿和2次变轨,对姿态及位置测量及控制精度要求非常高。
多样载荷 给火星拍个“中式定妆照”
此次火星环绕器上共搭载7种有效载荷,可对地火转移空间、火星轨道空间、火星表面及其次表层开展科学探测。
其中中分辨率相机可对火星全球开展地形地貌普查,高分辨率相机可对火星重点地区开展局部高分辨率地形地貌详查,将为火星拍下来自中国的“定妆照”。据新华社
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