2021年2月10日19時52分，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器實施火星捕獲制動，發(fā)動機工作約15分鐘后，探測器順利進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10º的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)此次任務(wù)“繞、著、巡”目標(biāo)的第一步，成功開啟環(huán)繞火星模式。
“天問一號”制動捕獲高清效果圖
后續(xù)天問一號還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整，進入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C實施火星著陸，開展巡視探測。
此次“天問一號”火星捕獲制動的成功，標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的“環(huán)繞”目標(biāo)順利達(dá)成，為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實施奠定了基礎(chǔ)。
什么是火星捕獲制動？
火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)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(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機會是唯一的，關(guān)系著整個工程任務(wù)的成敗。
捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)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(biāo)捕獲軌道。
此次火星探測任務(wù)捕獲時，探測器的目標(biāo)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(tǒng)的深空測控網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號，經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測器能夠在預(yù)定時間、預(yù)定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。
在捕獲制動過程中，“天問一號”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達(dá)到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。
自2020年7月23日發(fā)射以來，研制團隊已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù)，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。
這腳“火星剎車”，厲害！
制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？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，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以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(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主、可靠地完成“剎車”。理論上，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現(xiàn)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(fā)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(nèi)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(fā)動機點火和關(guān)機，克服發(fā)動機點火期間的擾動，實現(xiàn)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(huán)境下，我們只有通過方案設(shè)計，充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)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(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華說。
火星探測任務(wù)背后的青島力量
繼“嫦娥五號”任務(wù)之后，青島理工大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所又為“天問一號”火星探測任務(wù)保駕護航。截至1月3日6時，“天問一號”探測器已經(jīng)在軌飛行163天，飛行里程突破4億公里，距離地球約1.3億公里，距離火星約830萬公里，飛行狀態(tài)良好。按計劃，探測器將在一個多月后實施近火制動，進入環(huán)火軌道，準(zhǔn)備著陸火星。
青島理工大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所航天可視化團隊多年來研發(fā)的空間實時三維可視化技術(shù)，在北京航天飛行控制中心為“天問一號”探測器的飛行控制與指揮保駕護航，相關(guān)系統(tǒng)運行正常。
據(jù)悉，航天可視化團隊此前先后參與并圓滿完成多項深空探測、載人航天等國家重大航天工程實戰(zhàn)任務(wù)，主要包括探月工程嫦娥二號、三號、四號、五號任務(wù)的可視化飛行控制指揮與遙操作操控任務(wù)，載人航天工程天宮一號與神舟八號、九號、十號，天宮二號與神舟十一號交會對接任務(wù)的可視化飛行控制指揮任務(wù)。
另據(jù)2020年7月24日的報道，青島科技大學(xué)也是參與火星探測任務(wù)的單位，他們承擔(dān)了該項目的子課題——“行星表面特征提取跟蹤與快速運動估計方法”,主要針對火星著陸末端，利用地表圖像進行特征提取跟蹤并進行視覺自主導(dǎo)航而開展的一系列研究工作。
“我們學(xué)校的自主導(dǎo)航與智能控制研究所2003年就已經(jīng)成立，主要做探測器自主導(dǎo)航方面的工作,是國內(nèi)較早研究自主導(dǎo)航的高校單位。”青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院教授邵巍說，此前的研究基礎(chǔ)讓他們有了足夠的信心完成這次國家重大項目，而在這個領(lǐng)域已經(jīng)研究10余年的邵巍對自己也信心十足。
邵巍介紹，青科大承擔(dān)的子課題是完成星際自主、精確、安全著陸任務(wù)要解決的關(guān)鍵一環(huán)。特征提取匹配算法能否進行穩(wěn)定、連續(xù)跟蹤及其運行速度直接關(guān)系到自主導(dǎo)航的可行性、精度與可靠性。另一方面,行星著陸過程中動力學(xué)環(huán)境的不確知、強非線性以及相對運動估計的累積誤差,導(dǎo)致實時高精度導(dǎo)航極為困難。
邵巍介紹他們研究的是探測器的著陸段自主導(dǎo)航算法，探測器上面有處理器，里面運行著多種程序。當(dāng)著陸器的防熱罩拋掉后，光學(xué)相機開始工作,在下降著陸段探測器利用光學(xué)相機對火星表面進行拍照以獲取火星表面的瞬時圖像,并對火星表面的特征點、隕石坑、山脊、溝壑等特征進行提取與跟蹤。
探測器根據(jù)這些特征作為導(dǎo)航陸標(biāo),對自己的位置、速度、姿態(tài)進行估計，從而避開大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測器高度下降，光學(xué)相機拍到的影像清晰度增加，探測器進而能夠識別更小的石塊，從而進行標(biāo)記和規(guī)避,最終尋找到最完美的降落地。就像駕駛員開車需要看交通指示牌一樣，才能夠知道自己在哪,否則就可能迷路，到不了目的地。
（來源：觀海新聞/青島日報記者郭菁荔，新華社、央視新聞、人民日報）
