“天問一號(hào)”制動(dòng)捕獲演示動(dòng)畫

2021年2月10日19時(shí)52分，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器實(shí)施火星捕獲制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作約15分鐘后，探測(cè)器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、周期約10個(gè)地球日、傾角約10o的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)此次任務(wù)“繞、著、巡”目標(biāo)的第一步，成功開啟環(huán)繞火星模式。

“天問一號(hào)”制動(dòng)捕獲高清效果圖

后續(xù)天問一號(hào)還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，計(jì)劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開展巡視探測(cè)。

此次“天問一號(hào)”火星捕獲制動(dòng)的成功，標(biāo)志著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的“環(huán)繞”目標(biāo)順利達(dá)成，為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

什么是火星捕獲制動(dòng)？

火星捕獲制動(dòng)是指探測(cè)器在抵近火星時(shí)，通過主發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火，使得在行星際空間高速飛行的探測(cè)器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場(chǎng)捕獲，進(jìn)入繞火軌道。作為火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動(dòng)捕獲的機(jī)會(huì)是唯一的，關(guān)系著整個(gè)工程任務(wù)的成敗。

捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，只有點(diǎn)火時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。

此次火星探測(cè)任務(wù)捕獲時(shí)，探測(cè)器的目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400千米，一不留神就會(huì)撞擊火星或飛離火星。地面測(cè)控系統(tǒng)的深空測(cè)控網(wǎng)通過接收探測(cè)器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號(hào)，經(jīng)過連續(xù)計(jì)算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測(cè)器能夠在預(yù)定時(shí)間、預(yù)定高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動(dòng)作。

在捕獲制動(dòng)過程中，“天問一號(hào)”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動(dòng)時(shí)探測(cè)器距離地球1.92億千米，單向通信時(shí)延達(dá)到了10.7分鐘，地面無法對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲策略。

自2020年7月23日發(fā)射以來，研制團(tuán)隊(duì)已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù)，完成四次中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)，開展了各種自檢和功能驗(yàn)證工作，對(duì)探測(cè)器的測(cè)控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進(jìn)行了測(cè)試，確保捕獲制動(dòng)過程涉及的功能、性能得到充分檢驗(yàn)。

這腳“火星剎車”，厲害！

制動(dòng)捕獲，簡(jiǎn)單來說就是通過發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速控制，來降低探測(cè)器的速度，使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲，這一動(dòng)作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？面對(duì)這一難題，“天問一號(hào)”交出了一份高分答卷。

開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對(duì)于以28千米每秒高速靠近火星的探測(cè)器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對(duì)應(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主、可靠地完成“剎車”。理論上，給探測(cè)器一個(gè)反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實(shí)現(xiàn)過程中，仍會(huì)遇到不少問題。

火星探測(cè)器配置了1臺(tái)3000牛的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測(cè)器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過程中，探測(cè)器必須完全依靠自己完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。

“在失去地面實(shí)時(shí)測(cè)控的環(huán)境下，我們只有通過方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在偏差、探測(cè)器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過多因素組合的測(cè)試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說。

火星探測(cè)任務(wù)背后的青島力量

繼“嫦娥五號(hào)”任務(wù)之后，青島理工大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所又為“天問一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)保駕護(hù)航。截至1月3日6時(shí)，“天問一號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)在軌飛行163天，飛行里程突破4億公里，距離地球約1.3億公里，距離火星約830萬公里，飛行狀態(tài)良好。按計(jì)劃，探測(cè)器將在一個(gè)多月后實(shí)施近火制動(dòng)，進(jìn)入環(huán)火軌道，準(zhǔn)備著陸火星。

青島理工大學(xué)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所航天可視化團(tuán)隊(duì)多年來研發(fā)的空間實(shí)時(shí)三維可視化技術(shù)，在北京航天飛行控制中心為“天問一號(hào)”探測(cè)器的飛行控制與指揮保駕護(hù)航，相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

據(jù)悉，航天可視化團(tuán)隊(duì)此前先后參與并圓滿完成多項(xiàng)深空探測(cè)、載人航天等國(guó)家重大航天工程實(shí)戰(zhàn)任務(wù)，主要包括探月工程嫦娥二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)任務(wù)的可視化飛行控制指揮與遙操作操控任務(wù)，載人航天工程天宮一號(hào)與神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)，天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)交會(huì)對(duì)接任務(wù)的可視化飛行控制指揮任務(wù)。

另?yè)?jù)2020年7月24日的報(bào)道，青島科技大學(xué)也是參與火星探測(cè)任務(wù)的單位，他們承擔(dān)了該項(xiàng)目的子課題——“行星表面特征提取跟蹤與快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法”,主要針對(duì)火星著陸末端，利用地表圖像進(jìn)行特征提取跟蹤并進(jìn)行視覺自主導(dǎo)航而開展的一系列研究工作。

“我們學(xué)校的自主導(dǎo)航與智能控制研究所2003年就已經(jīng)成立，主要做探測(cè)器自主導(dǎo)航方面的工作,是國(guó)內(nèi)較早研究自主導(dǎo)航的高校單位。”青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院教授邵巍說，此前的研究基礎(chǔ)讓他們有了足夠的信心完成這次國(guó)家重大項(xiàng)目，而在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)研究10余年的邵巍對(duì)自己也信心十足。

邵巍介紹，青科大承擔(dān)的子課題是完成星際自主、精確、安全著陸任務(wù)要解決的關(guān)鍵一環(huán)。特征提取匹配算法能否進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)跟蹤及其運(yùn)行速度直接關(guān)系到自主導(dǎo)航的可行性、精度與可靠性。另一方面,行星著陸過程中動(dòng)力學(xué)環(huán)境的不確知、強(qiáng)非線性以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的累積誤差,導(dǎo)致實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航極為困難。

邵巍介紹他們研究的是探測(cè)器的著陸段自主導(dǎo)航算法，探測(cè)器上面有處理器，里面運(yùn)行著多種程序。當(dāng)著陸器的防熱罩拋掉后，光學(xué)相機(jī)開始工作,在下降著陸段探測(cè)器利用光學(xué)相機(jī)對(duì)火星表面進(jìn)行拍照以獲取火星表面的瞬時(shí)圖像,并對(duì)火星表面的特征點(diǎn)、隕石坑、山脊、溝壑等特征進(jìn)行提取與跟蹤。

探測(cè)器根據(jù)這些特征作為導(dǎo)航陸標(biāo),對(duì)自己的位置、速度、姿態(tài)進(jìn)行估計(jì)，從而避開大的石頭、隕石坑，選擇平坦的地面降落。隨著探測(cè)器高度下降，光學(xué)相機(jī)拍到的影像清晰度增加，探測(cè)器進(jìn)而能夠識(shí)別更小的石塊，從而進(jìn)行標(biāo)記和規(guī)避,最終尋找到最完美的降落地。就像駕駛員開車需要看交通指示牌一樣，才能夠知道自己在哪,否則就可能迷路，到不了目的地。

（來源：觀海新聞/青島日?qǐng)?bào)記者郭菁荔，新華社、央視新聞、人民日?qǐng)?bào)）

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