2021年5月15日凌晨4時許，天問一號著陸巡視器與環(huán)繞器“兩器分離”，前者進(jìn)入火星大氣，成功軟著陸于預(yù)選著陸區(qū)，后者返回停泊軌道，為著陸巡視器提供中繼通信。中國航天科技集團(tuán)八院供圖
2021年5月15日，中國成功實現(xiàn)火星著陸，實現(xiàn)這一壯舉的是我國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器。
鮮為人知的是，天問一號探測器包括環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分。5月15日著陸火星的是著陸巡視器，那么天問一號的“另一半”——環(huán)繞器去哪了？
是的，它又回到了火星軌道，繼續(xù)在火星上空翱翔。5月15日凌晨4時許，天問一號探測器成功實施環(huán)繞器和著陸巡視器的“兩器分離”，3小時后，著陸巡視器成功穿越火星大氣，在火星表面實現(xiàn)軟著陸；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，成為著陸巡視器與地球的通信中繼站，同時繼續(xù)進(jìn)行火星環(huán)繞探測。
星際“專車”
據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華介紹，為實現(xiàn)著陸巡視器準(zhǔn)確進(jìn)入火星著陸軌道，環(huán)繞器需要首先在攜帶著陸巡視器的情況下來到進(jìn)入火星的軌道，實施兩器分離后，環(huán)繞器需要迅速抬升軌道，而著陸巡視器則進(jìn)入火星大氣層。
這個分離前后的控制需要7個小時。
作為搭載著陸巡視器的星際“專車”，環(huán)繞器需要順序完成軌道降低發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)等系列動作。
“這是一系列很關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機(jī)動，稍有不慎，探測器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通訊時延的存在，我們并沒有辦法實時獲知探測器的狀態(tài)并對異常情況進(jìn)行干預(yù)。”朱慶華說。
在他看來，器器分離的過程是對控制算法精度、產(chǎn)品工作可靠性、故障預(yù)案周密性等最充分的考驗。
實際上，明確了著陸巡視器準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)后，探測器的一系列機(jī)動也就隨之確定下來了。在探測器進(jìn)行第一次降軌點(diǎn)火的3個小時前，航天設(shè)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(yīng)對。
分離時，環(huán)繞器的軌道控制精度和姿態(tài)控制精度是著陸巡視器能否進(jìn)入預(yù)定著陸區(qū)的前提。這些需要依賴敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計算機(jī)以及算法的準(zhǔn)確性，是對探測器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的一次“大考”。
方案設(shè)計師王衛(wèi)華打了個比方：這就好比在室外，距離標(biāo)準(zhǔn)籃筐980米進(jìn)行投籃，還必須事先考慮到投籃的角度、時機(jī)、投球力度，以及籃球自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、風(fēng)速和風(fēng)向外部環(huán)境等種種因素的影響。
同時，設(shè)計師們也做了不同情況下的預(yù)案和對策。當(dāng)環(huán)繞器通過自身的敏感器發(fā)現(xiàn)沒有完成既定的動作時，會自主帶著著陸巡視器迅速進(jìn)行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適的時機(jī)再次選擇執(zhí)行兩器分離的一系列動作。
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“專車”，它還是一座功能強(qiáng)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(fù)對火星表面進(jìn)行遙感探測的任務(wù)，同時選擇恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)來將巡視器的數(shù)據(jù)“中繼”傳向地球。
在距離地球2.93億公里的軌道上準(zhǔn)確指向地球，相當(dāng)于要在2米開外瞄準(zhǔn)繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運(yùn)動情況下，時刻保持瞄準(zhǔn)狀態(tài)。
朱慶華說，環(huán)繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對巡視器數(shù)據(jù)中繼天線。在環(huán)繞器執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務(wù)時，需要驅(qū)動太陽電池陣對準(zhǔn)太陽方向以保證自身電能的供應(yīng)，同時需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”。“此時，環(huán)繞器需要同時實現(xiàn)對巡視器、地球、太陽3個目標(biāo)的高精度同步指向控制，絕對可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計師聶欽博說。
據(jù)他介紹，近地衛(wèi)星通常是長期對地穩(wěn)定，使用全向天線，不會出現(xiàn)通訊鏈路中斷的問題，而環(huán)繞器在環(huán)火飛行時與地球距離遠(yuǎn)，由于天線波束角有限，設(shè)計師們要在確保對天線指向高精度控制的同時，對可能發(fā)生的通訊鏈路中斷做出預(yù)案。
“我們設(shè)計了一種通訊鏈路中斷后的自主恢復(fù)策略。一旦發(fā)生通訊鏈路中斷，探測器就會‘自主慢旋’，并在這一過程中，使天線掃到地球，進(jìn)而恢復(fù)通訊鏈路。這一過程也是環(huán)繞器自主實現(xiàn)。”軟件設(shè)計師周誌元說。
如今，環(huán)繞器依然在穩(wěn)定環(huán)火飛行，成為了著陸巡視器與地球之間的通信橋梁，完成數(shù)據(jù)中繼任務(wù)后，它也將全力開啟自己的環(huán)火遙感之旅。
（責(zé)任編輯：梁艷）
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