火星面前天問一號(hào)“剎車”有多難？制動(dòng)時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)需分秒不差

2月5日，國(guó)家航天局發(fā)布了天問一號(hào)火星探測(cè)器拍攝的首幅火星圖像。圖中火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長(zhǎng)的峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。

拍攝這張照片時(shí)，天問一號(hào)與地球的距離達(dá)到1.8億多千米，離火星大約有220萬千米。

據(jù)國(guó)家航天局消息，天問一號(hào)于當(dāng)日晚間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，順利完成地火轉(zhuǎn)移段第四次軌道中途修正，以確保后續(xù)動(dòng)作準(zhǔn)確實(shí)施。此后它還要完成近火制動(dòng)，被火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火軌道，成為火星的一顆衛(wèi)星，并對(duì)火星進(jìn)行觀察，為著陸火星做準(zhǔn)備。

中國(guó)航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光向科技日?qǐng)?bào)記者介紹說，近火制動(dòng)是火星探測(cè)過程中的重要節(jié)點(diǎn)之一，有一定風(fēng)險(xiǎn)。其風(fēng)險(xiǎn)主要包括幾方面，比如制動(dòng)捕獲只有一次機(jī)會(huì)，機(jī)不可失;制動(dòng)的時(shí)機(jī)、時(shí)長(zhǎng)、力度等都必須十分精準(zhǔn)。此外，探測(cè)器抵達(dá)火星時(shí)與地球距離遠(yuǎn)，通信延時(shí)長(zhǎng)，地面無法實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，整個(gè)制動(dòng)過程必須由探測(cè)器自主完成，這對(duì)探測(cè)器的自主控制提出了很高要求。

制動(dòng)時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)需分秒不差

按照軌道動(dòng)力學(xué)規(guī)律，當(dāng)航天器接近一個(gè)天體時(shí)，如果不采取任何措施，它將與這個(gè)天體擦肩而過，整個(gè)過程形成一個(gè)雙曲線軌道。

楊宇光說，在接近過程中，航天器受天體引力影響，速度會(huì)越來越快，在距離最近時(shí)達(dá)到峰值。如果此時(shí)航天器不制動(dòng)，它會(huì)逐漸遠(yuǎn)離該天體，速度慢慢下降，最后擺脫引力飛離天體。

這一規(guī)律決定著，如果想從轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入環(huán)繞天體運(yùn)行的軌道，航天器就必須實(shí)施制動(dòng)減速。

全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，探測(cè)器實(shí)施制動(dòng)減速時(shí)，要先調(diào)整飛行姿態(tài)，將發(fā)動(dòng)機(jī)噴管朝向前方，等時(shí)機(jī)恰當(dāng)時(shí)點(diǎn)火開機(jī)，以此降低探測(cè)器的速度。整個(gè)制動(dòng)過程的控制必須十分精準(zhǔn)。

楊宇光介紹，各國(guó)探測(cè)器飛往火星基本都采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道，天問一號(hào)也是如此。對(duì)于以太陽(yáng)為中心的引力場(chǎng)來說，這就是一條連接地球與火星的橢圓形軌道。當(dāng)探測(cè)器抵達(dá)火星附近后，如果沒有制動(dòng)或制動(dòng)力不夠，它會(huì)脫離火星引力繼續(xù)環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，下次再跟火星交會(huì)就不知是何年何月了。這也就是前文所說制動(dòng)捕獲機(jī)會(huì)的唯一性。

反之，如果力道過猛也不行。

楊宇光說，探測(cè)器制動(dòng)捕獲有一個(gè)原則，軌道越低，發(fā)動(dòng)機(jī)越省能量，制動(dòng)效率也就越高。但對(duì)于距離上億公里的火星，探測(cè)器的位置測(cè)量和控制都可能出現(xiàn)誤差，如果制動(dòng)點(diǎn)的軌道高度過低，可能導(dǎo)致探測(cè)器撞向火星表面。

同時(shí)，探測(cè)器并不是在某一個(gè)點(diǎn)把速度降到多少，而是在一個(gè)飛行弧段內(nèi)持續(xù)減速，制動(dòng)點(diǎn)火的時(shí)間需要精密計(jì)算和精準(zhǔn)控制。如果制動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致制動(dòng)力度過大，探測(cè)器也會(huì)面臨墜毀的風(fēng)險(xiǎn)。

“只有剎車時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)都分秒不差，才能形成理想的捕獲軌道。”龐之浩說。

與“嫦娥”制動(dòng)有所不同

此前我國(guó)已成功實(shí)施的歷次探月任務(wù)中，嫦娥系列探測(cè)器均圓滿完成了近月制動(dòng)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。不過天問一號(hào)面臨的近火制動(dòng)，與“嫦娥姐妹”有所不同。

最顯著的區(qū)別源自距離。

地球與月球之間的平均距離約為38.44萬千米，對(duì)于測(cè)控通信來說，延時(shí)不過約1秒鐘。而天問一號(hào)實(shí)施近火制動(dòng)時(shí)，地球與火星的距離超過1.8億千米，單向通信延時(shí)達(dá)到10分鐘以上。楊宇光說，這種情況下地面無法對(duì)探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要提前上傳指令，到時(shí)候讓探測(cè)器自主執(zhí)行。

理論上，探測(cè)器的自主性可以通過設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。例如制動(dòng)時(shí)需要把速度降低多少，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力計(jì)算需要開機(jī)的時(shí)間，照此控制。但實(shí)際上并非如此。

楊宇光說，任務(wù)過程中會(huì)有很多不確定性，比如發(fā)動(dòng)機(jī)推力可能存在細(xì)微偏差，飛行器的位置、速度、姿態(tài)只能通過測(cè)量獲得，各種變數(shù)使得自主控制的復(fù)雜程度大大增加。

因此，自主控制絕非只靠地面準(zhǔn)備指令，探測(cè)器執(zhí)行就能完成，而要大量依賴于測(cè)量手段。為了確保測(cè)量準(zhǔn)確，在執(zhí)行關(guān)鍵動(dòng)作的飛行器上都有多個(gè)傳感器，通過多種途徑和不同手段，結(jié)合地面測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷測(cè)量結(jié)果是否精確。在執(zhí)行指令時(shí)，也會(huì)通過傳感器來反饋執(zhí)行情況。當(dāng)遇到意外情況，來不及等待地面處理時(shí)，探測(cè)器也會(huì)自行判斷，然后按照預(yù)案自行應(yīng)對(duì)。

此外，天問一號(hào)重達(dá)5噸多，不僅超過“嫦娥”系列探測(cè)器，甚至在世界各國(guó)行星探測(cè)器中也居首位。而它配備的，則是一臺(tái)3000牛的發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)不會(huì)有點(diǎn)“小馬拉大車”?要知道，3.78噸重的嫦娥四號(hào)，主發(fā)動(dòng)機(jī)推力可是達(dá)到了7500牛。

對(duì)此楊宇光表示，嫦娥四號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)要兼顧近月制動(dòng)和月面著陸使用，因而需要較大推力。對(duì)于天問一號(hào)來說，3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)偏小，但這是權(quán)衡各方利弊之后的選擇。

楊宇光說，衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能最重要的指標(biāo)是比沖，比沖越高，相同條件下推進(jìn)劑能產(chǎn)生的速度增量越大。但從另一方面說，比沖越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量越大，或者說，在同樣比沖情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，體積和質(zhì)量就越大。

但對(duì)于天問一號(hào)而言，則希望發(fā)動(dòng)機(jī)盡量小，能把更多重量和空間留給載荷。

在兩個(gè)互相矛盾的指標(biāo)之間，設(shè)計(jì)人員做出了權(quán)衡。目前的方案既能滿足載荷的需要，也能滿足制動(dòng)的要求，無非是把制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間延長(zhǎng)一點(diǎn)而已。

制動(dòng)失敗的那些探測(cè)器

由于近火制動(dòng)有一定風(fēng)險(xiǎn)，因此過去一些火星探測(cè)器在進(jìn)入火星軌道時(shí)，曾出現(xiàn)過各種故障。

蘇聯(lián)1973年7月21日發(fā)射的火星4號(hào)探測(cè)器，于1974年2月在距離火星表面2200千米處飛越，由于制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)失效而沒有切入火星軌道。

1992年9月25日，美國(guó)火星觀察者探測(cè)器升空。它在太空飛行了約11個(gè)月，在1993年8月21日，也就是計(jì)劃進(jìn)入火星軌道前3天發(fā)生了故障，與地面失去了聯(lián)系。據(jù)判斷，探測(cè)器失聯(lián)的原因可能是推進(jìn)系統(tǒng)的燃料運(yùn)輸管道破裂。

日本于1998年7月3日發(fā)射的希望號(hào)火星軌道器，自發(fā)射升空以后故障不斷。按計(jì)劃，希望號(hào)應(yīng)于2003年12月14日到達(dá)離火星表面894千米位置，然后進(jìn)入環(huán)火軌道，但由于其電路系統(tǒng)受太陽(yáng)風(fēng)暴影響出現(xiàn)故障，變軌發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)而導(dǎo)致任務(wù)失敗。

最冤的一次失敗來自美國(guó)的火星氣候軌道器。1999年9月23日，該探測(cè)器本應(yīng)在80—90千米高度進(jìn)入火星大氣層，但在軌道切入操作中，地面人員犯下了致命的低級(jí)錯(cuò)誤。在探測(cè)器飛行系統(tǒng)軟件中，使用的是英制單位“磅”計(jì)算推進(jìn)器動(dòng)力，而地面人員輸入方向校正量和推進(jìn)器參數(shù)時(shí)，用的卻是公制單位“牛頓”。兩種單位的混淆造成了導(dǎo)航誤差，使探測(cè)器直到距離火星僅57千米時(shí)才減速切入，最終導(dǎo)致探測(cè)器解體。(付毅飛)