揭開天問一號(hào)火星環(huán)繞器神秘面紗
天問一號(hào)制動(dòng)捕獲效果圖。中國航天科技集團(tuán)八院供圖
伴隨天問一號(hào)成功被火星引力捕獲，其環(huán)繞器結(jié)構(gòu)也揭開了神秘面紗。天問一號(hào)探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成。這其中，“太空多面手”環(huán)繞器“一器分飾多角”，具備三大功能：飛行器、通信器和探測器。
中國首次火星探測任務(wù)探測器系統(tǒng)副總指揮兼環(huán)繞器總指揮張玉花表示，在近7個(gè)月的飛行過程中，天問一號(hào)環(huán)繞器首先作為飛行器，將著陸巡視器送至火星著陸軌道。待成功釋放著陸巡視器后，環(huán)繞器作為通信器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通信鏈路。通信工作結(jié)束后，環(huán)繞器作為探測器對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測。
“減肥瘦身”
據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院天問一號(hào)環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)杜冬博士介紹，為了克服地球的強(qiáng)大引力、奔向火星，天問一號(hào)探測器總重量不能超過5000公斤，但為了到達(dá)遙遠(yuǎn)的火星，它又至少需要攜帶2500公斤的推進(jìn)劑，除去著陸巡視器占去的1300公斤重量份額，環(huán)繞器自身干重被嚴(yán)格限制在1200公斤以內(nèi)。
“環(huán)繞器的1200公斤包含結(jié)構(gòu)和其他各種設(shè)備的重量，還要兼顧2.5米可展開驅(qū)動(dòng)天線、太陽電池陣、高分辨率相機(jī)等多種大體積設(shè)備的安裝要求。”杜冬說，如何在重量有限的情況下實(shí)現(xiàn)高效的承載和設(shè)備安裝，成為了環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)面前的一只“攔路虎”。
環(huán)繞器結(jié)構(gòu)主任設(shè)計(jì)師王建煒說，對(duì)于航天器來說，質(zhì)心越低、重量越輕，發(fā)射成本就越小，所以結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要盡量降低質(zhì)心，優(yōu)化重量，同時(shí)兼顧設(shè)備安裝需求。圍繞著這個(gè)核心原則，結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)先后開展了多輪結(jié)構(gòu)構(gòu)型論證。
“探測器多一克的重量，付出的發(fā)射成本將遠(yuǎn)超一克黃金。”杜冬說，為了繼續(xù)“減重”，環(huán)繞器結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)還把目光投向重量最大的結(jié)構(gòu)核心部件——中心承力筒，并創(chuàng)新采用了“全復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)”，在材料上下功夫，使得環(huán)繞器在苛刻限重的條件下實(shí)現(xiàn)高效承載。
“火眼金睛”
天問一號(hào)探測器飛近火星的過程中，如何靠自己找到火星？
中國航天科技集團(tuán)八院光學(xué)導(dǎo)航專家鄭循江告訴記者，天問一號(hào)探測器上配置的光學(xué)導(dǎo)航敏感器，可以利用拍攝的恒星與火星圖像，精確計(jì)算出自身的飛行姿態(tài)、位置與速度，實(shí)現(xiàn)相對(duì)火星的自主導(dǎo)航。
“光學(xué)導(dǎo)航敏感器就好比天問一號(hào)火星探測器自動(dòng)駕駛過程中的‘眼睛’。”鄭循江說。據(jù)他介紹，在飛近火星的過程中，探測器靠這雙“眼睛”實(shí)時(shí)觀測火星的距離和方向，讓飛控團(tuán)隊(duì)可以更直觀地確認(rèn)飛行軌道和姿態(tài)，計(jì)算圖像中火星的幾何中心和視半徑，天問一號(hào)也就可以通過最優(yōu)估計(jì)算法，來自主獲取實(shí)時(shí)的位置和速度信息。
鄭循江說，7年來，在2500多個(gè)日日夜夜的攻關(guān)期間，研制團(tuán)隊(duì)不是在做試驗(yàn)，就是在去做試驗(yàn)的路上。正是有了廣泛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)加持，團(tuán)隊(duì)完成了設(shè)計(jì)方案的多輪優(yōu)化，最終完成了最惡劣條件下的全部功能及性能的驗(yàn)證。
“這是我國首次在行星際轉(zhuǎn)移飛行過程中應(yīng)用光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)。”鄭循江說，國內(nèi)并無先前的工程經(jīng)驗(yàn)可參考，研制團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)點(diǎn)摸索，設(shè)計(jì)了大大小小百余個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，最終使中國成為世界上第二個(gè)掌握并在軌驗(yàn)證了火星光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)的國家。
“最強(qiáng)大腦”
綜合電子分系統(tǒng)被稱為天問一號(hào)環(huán)繞器的“最強(qiáng)大腦”，負(fù)責(zé)環(huán)繞器全部信息的管控。
張玉花說，在天問一號(hào)環(huán)繞器對(duì)火星進(jìn)行探測的過程中，器上的各科學(xué)儀器都會(huì)產(chǎn)生大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須要發(fā)回地面由科學(xué)家們進(jìn)行研究，此外，環(huán)繞器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器和紅外導(dǎo)航敏感器數(shù)據(jù)也需要發(fā)送回地面進(jìn)行進(jìn)一步的分析，綜合電子分系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存，并在合適的時(shí)機(jī)傳輸回地球。
據(jù)她介紹，通常情況下，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星都是由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制的。但與地球衛(wèi)星不同，火星環(huán)繞器由于器地距離遠(yuǎn)，通信時(shí)間延遲長，往往來不及依靠地面指令對(duì)探測器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
此外，深空探測器與地面站通信存在獨(dú)特的“日凌”現(xiàn)象，即當(dāng)探測器、地球和太陽位置處于同一直線時(shí)，太陽輻射會(huì)干擾地火之間的射頻信號(hào)傳輸，導(dǎo)致通信中斷。因此，“日凌”期間，環(huán)繞器必須“自己照顧好自己”。
張玉花說，針對(duì)這些情況，環(huán)繞器綜合電子分系統(tǒng)的研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列技術(shù)攻關(guān)，設(shè)計(jì)了深空探測長時(shí)間無上行指令自主管理機(jī)制、整器斷電再恢復(fù)功能等，讓環(huán)繞器在必要時(shí)能“自己照顧好自己”，實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞器在軌自主運(yùn)行大于60天的能力。
她告訴記者，從環(huán)火開始，天問一號(hào)就正式成為火星的衛(wèi)星。后續(xù)，天問一號(hào)還要進(jìn)行一次軌道調(diào)整和兩次近火制動(dòng)，屆時(shí)天問一號(hào)離火星最近距離只有265公里。之后，天問一號(hào)探測器會(huì)邊環(huán)繞邊完成拍照任務(wù)，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，計(jì)劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸。
“高清攝影師”
2月12日，國家航天局對(duì)外發(fā)布天問一號(hào)抵達(dá)火星軌道過程中的影像。實(shí)施此次拍攝任務(wù)的工程測量分系統(tǒng)，就是火星捕獲大片背后的“攝影師”，由中國航天科技集團(tuán)八院509所設(shè)計(jì)研制。
張玉花表示，為做好天問一號(hào)在軌工作狀態(tài)的可視化監(jiān)視，火星環(huán)繞器工程測量團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)了一套由多個(gè)“質(zhì)量小、個(gè)頭小、能耗小”的“小塊頭”組成的工程測量分系統(tǒng)，包括固連遙測探頭、近距離遙測探頭和國旗，而實(shí)施此次捕獲過程拍照的，便是其中的固連遙測探頭的兩個(gè)固連測量傳感器。
在飛向火星的旅程中，固連遙測探頭一路監(jiān)測天問一號(hào)的狀態(tài)，完成了太陽翼展開過程、定向天線展開監(jiān)測，在定向天線展開到位的同時(shí)拍攝到了地球。
張玉花說，自我國首次自主火星探測工程立項(xiàng)以來，如何做好天問一號(hào)在軌飛行可視化監(jiān)測就成為了研制團(tuán)隊(duì)面對(duì)的重要任務(wù)之一?；鹦黔h(huán)繞器工程測量團(tuán)隊(duì)結(jié)合全飛行過程，設(shè)計(jì)了太陽翼展開、定向天線展開、地月拍照、太空自拍、火星拍照、器器分離過程等監(jiān)測任務(wù)。
她告訴記者，在接下來的飛行中，火星環(huán)繞器工程測量分系統(tǒng)將繼續(xù)開展任務(wù)，持續(xù)監(jiān)測太陽翼、定向天線的運(yùn)行情況監(jiān)測，實(shí)施器器分離過程可視化監(jiān)測，繼續(xù)為天問一號(hào)的探測之旅保駕護(hù)航。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 邱晨輝
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