中國首次自主“火星旅行” 解構“太空多面手”環繞器

資料圖:“天問一號”探測器“乘坐”長征五號遙四運載火箭奔太空,計劃一次實現“環繞、著陸、巡視”三大目標。探測器重約5噸,由環繞器和著陸巡視器組成。張陽攝

中新網上海7月23日電 題:中國首次自主“火星旅行” 解構“太空多面手”環繞器

作者 鄭瑩瑩 郭超凱

說走就走的“火星旅行”?沒那麼簡單。籌備多年,23日,中國終於開啟首次自主火星探測任務,當天,“天問一號”探測器“乘坐”長征五號遙四運載火箭,奔向太空,計劃一次實現“環繞、著陸、巡視”三大“旅行目標”。

中國自主火星探測任務的論證工作從2010年開始,至今10年。最終成行的這趟“火星旅行”裡,團隊各個成員都練就一身本事,其中,“太空多面手”環繞器更是“一器分飾多角”,計劃完成“太空剎車”等高難度動作。環繞器的總體設計與研製工作由中國航天科技集團有限公司上海航天技術研究院承擔。

三大功能:飛行器、通訊器、探測器

“天問一號”探測器重約5噸,由環繞器和著陸巡視器組成,計劃經過大約7個月的飛行,最終抵達火星。探測器到達火星後,著陸巡視器會擇機分離,並降落到火星表面,開展探測,環繞器將繞著火星轉圈,給火星拍照,獲得其地形地貌、土壤成分和地下水冰等特性。

記者從中國航天科技集團有限公司上海航天技術研究院瞭解到,環繞器具備三大功能:飛行器、通訊器和探測器。

飛行器——約7個月的飛行過程中,環繞器首先作為飛行器,將著陸巡視器送至火星著陸軌道。

通訊器——待成功釋放著陸巡視器後,環繞器作為通訊器,為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通訊鏈路。

探測器——通訊工作結束後,環繞器作為探測器對火星進行科學探測。

四大挑戰:旅途超過4億公里、環環相扣

“火星旅行”難度頗大,對第一次自主探測火星的中國研製團隊來說,更是挑戰重重。首次火星探測任務探測器系統副總指揮兼環繞器總指揮張玉花介紹,團隊在研製過程中攻克了火星制動捕獲等關鍵技術難點。總體而言,環繞器面臨四大挑戰。

飛行時間長——此次地火飛行路徑超過4億公里,在漫長的7個月裡,任何一個環節出問題,都將前功盡棄。

面臨環境差——由於器地距離遠,導致通訊時延大,當地球與探測器相距最遠時,單向通訊延時將達到22分鐘,一來一回通訊延遲將達到44分鐘;同時,因為空間訊號衰減,環繞器接收到的訊號非常微弱,環繞器需要克服巨大的訊號衰減、傳輸時延和外界干擾等因素。

控制要求高——由於器地通訊的時延和長期日凌中斷問題(當探測器、地球和太陽位置處於同一直線時,太陽輻射會干擾地火之間的射頻訊號傳輸,導致通訊中斷,稱之為“日凌”),環繞器需要具備很強的自主姿態控制能力,才能確保探測器的安全。同時,由於中國對火星空間和行星際空間的複雜環境還很陌生,很多步驟只能依靠自主判斷來完成,挑戰很大。

空間動作繁——環繞器不僅在不同階段扮演不同角色,在扮演同一角色時,還要同步完成多項操作,動作複雜意味著更多的不確定性。

五大環節:“太空剎車”難度高

環繞器設計壽命3年,重量在3。6噸左右。其此次任務涉及五個主要環節:地火轉移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通訊、科學探測。

首次火星探測任務探測器系統副總設計師兼環繞器總設計師王獻忠介紹,環繞器負責攜帶著陸巡視器,主要完成地火轉移、火星制動捕獲、軌道調整等任務;擇機實施器器分離後,繼續提供3個月的中繼支援服務;而後在遙感軌道,透過攜帶的高解析度相機、中解析度相機、次表層探測雷達等有效載荷,對火星開展約一個“火星年”(火星每687天才能繞太陽一圈,即火星的“一年”比2個地球年略短)的科學探測,實現對火星的全球普查和區域性詳查。

其中,在地火轉移段,環繞器需要進行4至5次的中途修正和1次深空機動修正飛行,經過超4億公里的路徑,才能逐漸飛近火星。

而在發射約200天后的火星捕獲段,探測器距離地球近1。93億公里,單向通訊時延約11分鐘,屆時只能透過自主管理制動點火進入火星捕獲軌道。而這一腳“剎車”(制動過程)風險非常高,踩早了,速度降得過低,就會墜入大氣層撞擊火星;踩晚了,就不能被火星引力捕獲,因而飛離火星。

進入捕獲軌道後,環繞器還將作為“信使”,為地球與著陸巡視器提供為期3個月的中繼通訊服務;而後結束中繼任務,進入科學探測軌道進行探測任務。(完)

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