​1个月、1000万公里距离,9328万行程『天问之路』(1)

火星在中国古代被称为“荧惑”,因为它荧荧似火,亮度变换,行踪不定,令人迷惑。中国已经实现了首个航天员上天的千年飞天梦想,实现了人类月球背面首次软着陆的惊世壮举,现在,我们终于把目光聚焦在了这颗距离地球最近的红色行星,这将是一次漫长的太阳系之旅,从今天开始,我们将以“天问之路”连载的方式,让大家跟随着我国首次火星探测器天问一号,开启这史诗般的梦幻之旅。

做好长途旅行的一切准备

相比环绕地球飞行、降落月球表面,去最远4亿公里的火星旅行可并非易事。2020年7月23日,12时41分,长征五号运载火箭托举着天问一号火星探测器一飞冲天,飞控人追寻火星的脚步在火箭飞行的过程中就已经开始了。

“‘南美’捕获目标!”,这是探测器入轨后第一个跟踪探测器的深空站,在天问一号发射前,关于如何确保阿根廷深空站准确捕获目标,着实让北京中心的专家们花费了不少精力。由于天线口径大,指向精度高,这也意味着如果北京中心给出的引导信息稍有偏差,测站将无法准确捕获目标。13时17分,器箭分离,北京中心仅用4分钟,就快速准确地确定了探测器的轨道,数据随即被发送到测站,随着捕获的信息传来,飞控大厅内的控制人员脸上都绽放出了舒心的笑容。

“定向天线展开!”这又是一个非常关键的控制,在4亿公里的距离上,地面和探测器间传送的无线电信号将变得非常微弱,而展开这个近6平方米的“大锅”非常重要,它能大幅提升传输信号强度,到了火星轨道,与地面远距离通信就全靠它了。天线成功展开后,地面控制定向天线指向地球,将探测器切换成深空通信模式,并进行了发令测试,指令执行正常,妥了!现场人员这才安下了心,这条深空远距离通信的“生命线”已经牢牢掌握在了我们手中。

飞控中心大厅照片

来一张地月合影

天问一号探测器不仅可以按地面的控制进行导航,它还携带了一个“神器”——光学导航敏感器,在距离火星较近的距离时,可以使用它通过拍摄火星的光学影像,实现对火星位置和距离的确定,引导探测器精确飞向火星。

7月27日,天问一号火星探测器入轨后4天,器地距离120万公里左右,我们把握住了这个给地月拍摄合影的机会,同时对光学导航敏感器进行成像测试。为了让这位“地外摄影师”找到最好的角度,北京中心精确计算拍摄角度,在对地球成像的同时让月球也处在最优位置。角度确定,还要转换成更加具体的调姿参数,才能够让“天问摄影师”架设机器到位。经过严密而准确的计算以后,这一套拍摄方案最终被顺利实施,上注环绕器调姿控制参数,将整器姿态调整到成像要求,按下快门成功拍摄!随后及时让探测器恢复+X对日姿态,切换探测器工作模式下传成像数据,一气呵成,精准无误,成片效率100分!

地月合影照片

成为行星

按照国际电信联盟的定义,深空边界为距离地球200万公里远的空间,7月29日,也就是天问一号火星探测器入轨后6天,它就成功突破了这一边界,正式成为了太阳系中一颗遨游深空的行星。截至8月25日23时,天问一号距离地球距离突破了1000万公里,累计行程达9329万公里。

是边界就意味着一定程度上的挑战极限,深空边界也一样,代表着超远距离、超大时延的环境变化,这无疑是地面飞控人必须攻克的难关。为了确保天问一号沿着精确的轨道飞向火星,在天问一号发射入轨后,北京中心合理调配深空测控资源,利用三个深空测控站和VLBI观测网,对探测器进行了准确跟踪和精密定轨,为高精度轨道修正奠定了基础。未知的太空意味着风险和挑战,牵好地面和航天器的通信线至关重要,在照顾好天问一号的同时,中心合理利用深空测控资源,顺利实施了嫦娥四号着陆器、巡视器和中继星的休眠唤醒,还兼顾好在月球上的“老寿星”嫦娥三号着陆器,让我们的玉兔二号能够继续平安地在月背继续巡视探测。

奔火轨道示意图

轨道修正顺便试试发动机

地球到火星是漫长的旅程,在这一路上,探测器会受到入轨偏差、控制精度偏差和微小扰动等因素影响,就需要地面测控系统对探测器飞行轨道进行修正。为了确保天问一号一直运行在正确的道路上,北京中心的轨道专家们为它设计了4至5次中途修正和1次深空机动,以实现准确到达火星的目标。

第一个月里就迎来了它的第1次中途轨道修正。除了修正轨道,还要对3000N发动机试喷和推进标定。虽然8月2日才是预定第一次中途修正的日子,但在天问一号入轨后,北京中心轨道团队的工程师们就已经开始高速运转,精准地计算第一次中途修正控制策略。为了对发动机和加速度计进行精确的标定,发动机开机时间确定为20秒,为达到最优的轨道控制精度并节约使用探测器推进剂,轨道专家们采取了第一次中途修与深空机动控制进行联合优化的设计方案,最终拿出了既能满足发动机标定又实现地火转移能量最优的控制策略。

8月2日早7时,第一次中途修正控制顺利实施,推进系统各项指标正常,北京中心又利用控前控后精密轨道对控制效果进行了标定,结果表明第一次中途修正控制完美,探测器正以相对地球3.456km/s,相对太阳31.698km/s的速度沿着飞控人绘制的精确轨道向火星进发!

轨道专家现场讨论

我是天问一号,感觉良好

天问一号不是单枪匹马走天下,它的身上也携带着许多以后环绕火星、登陆火面和巡视探测等需要用到的设备,为了掌握各个设备在飞行阶段的状态,在这个月里,还要对它们开机自检。

北京中心利用8月19日、20日两天,分别对探测器载荷和工程测量分系统实施了自检工作。经过开机自检,可以确认载荷和各类监视拍摄探头工况正常,未来的日子里它们都将会派上大用场,期待它们可以不断为我们带来好消息。

现在探测器上搭载的火星能量粒子分析仪已经开机工作,获取的数据能够为研究地火转移轨道能量粒子的能谱、元素成分及其变化规律提供宝贵的第一手资料。

第一个月的工作对天问一号和地面的航天人来说,都是新鲜且紧张的,天问一号犹如新生儿,每一天都处于新的位置,面对着新的环境。而航天人们则如新晋父母,要守护它去应对可能的挑战。然而这一切都将充满意义,能够浓缩在十几个月的时间里见证中国的问天之路,他们的故事我们慢慢叙述……

飞控人现场跟踪监控天问一号状态

 

2020-08-26智邦网

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