週一. 8 月 10th, 2020

五大看點:火星探測「觀賞指南」

【本報綜合報導】世界首次一步實現火星探測「繞、著、巡」,最遠距離達4億公里如何實現超遠距離深空通信?火星探測器發射後將經歷怎樣的歷程到達火星?23日,大陸首次火星探測任務「天問一號」探測器成功在中國文昌航天發射場發射升空,記者為您梳理了一份此次火星探測的「觀賞指南」。

世界首次:一步實現「繞、著、巡」

火星是離地球較近且環境最相似的星球,一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。目前,人類已對火星實施了44次探測任務,其中成功了24次,火星是目前人類認識最深入的行星之一。
通過以往對火星的探測,人們在火星上發現了存在水的證據。火星上是否存在孕育生命的條件以及火星是地球的過去還是未來?這些問題一直縈繞在科學家心頭,成為火星研究的重大科學問題。
大陸首次火星探測任務憑借火星環繞器和著陸巡視器的超強陣容,可一步實現火星「環繞、著陸、巡視」三個目標,這是其他國家在首次實施火星探測任務時從未實現過的。
相比月球探測,火星探測任務的難度更大。由於火星相對地球距離較為遙遠,對發射、軌道、控制、通信和電源等技術領域都提出了很高的要求。
中國航天科技集團八院「天問一號」探測器系統副總師兼環繞器總設計師王獻忠介紹,研製團隊不僅攻克了火星制動捕獲、長期自主管理等關鍵技術難點,更實現了地火間的超遠距離測控通信,並將通過環繞探測實現火星全球性、綜合性探測,完成火星表面重點地區高精度、高分辨率精細詳查。

臨門一腳:制動捕獲「踩剎車」

火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一,在火星探測器從地球飛向火星的過程中,能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推,探測器獲得了擺脫地球引力的能量,使用精心設計的轉移軌道,探測器能夠最終順利抵達火星附近。
然而,受限於攜帶的推進劑有限,環繞器在抵達火星後,必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公里,而此時探測器相對火星的速度高達4到5公里每秒,一不留神就會撞擊火星或飛離,捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。
在這一制動捕獲過程中,火星環繞器面臨諸多挑戰。由於捕獲時探測器距離地球1.93億公里,單向通信時延達到10.7分鐘,地面無法對這一制動過程進行實時監控,只能依靠探測器自主執行捕獲策略。此外,在制動過程中,環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理,最大限度保證火星捕獲成功。
首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑介紹,捕獲過程中,火星環繞器需要準確地進行點火制動,如果制動點火時間過長,探測器速度下降過多,探測器就會一頭撞上火星,如果制動點火時間過短,探測器速度過快,就會飛離火星從而無法進入環繞軌道,這對環繞器的自主導航與控制提出了極高要求。

4億公里:超遠距離深空通信

環火飛行階段,由於地球和火星的運行規律,探測器距離地球最遠達到4億公里。為了解決超遠距離通信問題,火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統,實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。
為補償空間衰減,火星環繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動的定向天線,大幅度提高探測器到地球通信能力。

自主管理:探測火星需要會思考的「大腦」

通常情況下,環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由於探測器到地球的距離遠,通信延時大,無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。
此外,環繞器與地面站通信有其空間的特殊性,導致通信中斷(「日凌」)的時間最長可達30天,期間需依靠自身完成長期任務管理,並在出「日凌」後及時調整天線指向,迅速重新與地面建立聯繫。
據悉,在此次火星探測任務的關鍵節點,自主管理同樣需要發揮巨大作用。在火星探測器進行環繞器與著陸巡視器分離時,環繞器需在短時間內完成3次調姿和2次變軌,對姿態及位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統,火星環繞器才能夠精準、及時地完成與著陸巡視器的分離。

多樣載荷:給火星拍個「中式定妝照」

此次火星環繞器上共搭載7種有效載荷,可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測,獲取行星際射電頻譜數據、火星表面圖像、火星地質構造和地形地貌、火星表層結構和地下水冰分佈、火星礦物組成與分佈、火星空間磁場環境、近火星空間環境和地火轉移軌道能量粒子特徵及其變化規律。
其中中分辨率相機可對火星全球開展地形地貌普查,高分辨率相機可對火星重點地區開展局部高分辨率地形地貌詳查,將為火星拍下來自中國的「定妝照」。