2021年5月15日，中國(guó)成功實(shí)現(xiàn)火星著陸，實(shí)現(xiàn)這一壯舉的是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器。

鮮為人知的是，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器包括環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分。5月15日著陸火星的是著陸巡視器，那么天問(wèn)一號(hào)的“另一半”——環(huán)繞器去哪了?

是的，它又回到了火星軌道，繼續(xù)在火星上空翱翔。5月15日凌晨4時(shí)許，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功實(shí)施環(huán)繞器和著陸巡視器的“兩器分離”，3小時(shí)后，著陸巡視器成功穿越火星大氣，在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸;兩器分離約30分鐘后，環(huán)繞器則進(jìn)行升軌，返回火星停泊軌道，成為著陸巡視器與地球的通信中繼站，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行火星環(huán)繞探測(cè)。

星際“專車”

據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華介紹，為實(shí)現(xiàn)著陸巡視器準(zhǔn)確進(jìn)入火星著陸軌道，環(huán)繞器需要首先在攜帶著陸巡視器的情況下來(lái)到進(jìn)入火星的軌道，實(shí)施兩器分離后，環(huán)繞器需要迅速抬升軌道，而著陸巡視器則進(jìn)入火星大氣層。

這個(gè)分離前后的控制需要7個(gè)小時(shí)。

作為搭載著陸巡視器的星際“專車”，環(huán)繞器需要順序完成軌道降低發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)等系列動(dòng)作。

“這是一系列很關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機(jī)動(dòng)，稍有不慎，探測(cè)器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通訊時(shí)延的存在，我們并沒(méi)有辦法實(shí)時(shí)獲知探測(cè)器的狀態(tài)并對(duì)異常情況進(jìn)行干預(yù)。”朱慶華說(shuō)。

在他看來(lái)，器器分離的過(guò)程是對(duì)控制算法精度、產(chǎn)品工作可靠性、故障預(yù)案周密性等最充分的考驗(yàn)。

實(shí)際上，明確了著陸巡視器準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)后，探測(cè)器的一系列機(jī)動(dòng)也就隨之確定下來(lái)了。在探測(cè)器進(jìn)行第一次降軌點(diǎn)火的3個(gè)小時(shí)前，航天設(shè)計(jì)師已上注所有控制策略，策略中包含了對(duì)可能發(fā)生情況的應(yīng)對(duì)。

分離時(shí)，環(huán)繞器的軌道控制精度和姿態(tài)控制精度是著陸巡視器能否進(jìn)入預(yù)定著陸區(qū)的前提。這些需要依賴敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)以及算法的準(zhǔn)確性，是對(duì)探測(cè)器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的一次“大考”。

方案設(shè)計(jì)師王衛(wèi)華打了個(gè)比方：這就好比在室外，距離標(biāo)準(zhǔn)籃筐980米進(jìn)行投籃，還必須事先考慮到投籃的角度、時(shí)機(jī)、投球力度，以及籃球自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、風(fēng)速和風(fēng)向外部環(huán)境等種種因素的影響。

同時(shí)，設(shè)計(jì)師們也做了不同情況下的預(yù)案和對(duì)策。當(dāng)環(huán)繞器通過(guò)自身的敏感器發(fā)現(xiàn)沒(méi)有完成既定的動(dòng)作時(shí)，會(huì)自主帶著著陸巡視器迅速進(jìn)行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適的時(shí)機(jī)再次選擇執(zhí)行兩器分離的一系列動(dòng)作。

通信“中繼站”

在此次火星探測(cè)任務(wù)中，環(huán)繞器不僅僅是一輛星際“專車”，它還是一座功能強(qiáng)大的通信“中繼站”，為火星表面巡視器與地球搭建通訊橋梁，肩負(fù)對(duì)火星表面進(jìn)行遙感探測(cè)的任務(wù)，同時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)來(lái)將巡視器的數(shù)據(jù)“中繼”傳向地球。

在距離地球2.93億公里的軌道上準(zhǔn)確指向地球，相當(dāng)于要在2米開外瞄準(zhǔn)繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運(yùn)動(dòng)情況下，時(shí)刻保持瞄準(zhǔn)狀態(tài)。

朱慶華說(shuō)，環(huán)繞器攜帶有2塊太陽(yáng)電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對(duì)巡視器數(shù)據(jù)中繼天線。在環(huán)繞器執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務(wù)時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)電池陣對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)方向以保證自身電能的供應(yīng)，同時(shí)需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”。“此時(shí)，環(huán)繞器需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡視器、地球、太陽(yáng)3個(gè)目標(biāo)的高精度同步指向控制，絕對(duì)可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師聶欽博說(shuō)。

據(jù)他介紹，近地衛(wèi)星通常是長(zhǎng)期對(duì)地穩(wěn)定，使用全向天線，不會(huì)出現(xiàn)通訊鏈路中斷的問(wèn)題，而環(huán)繞器在環(huán)火飛行時(shí)與地球距離遠(yuǎn)，由于天線波束角有限，設(shè)計(jì)師們要在確保對(duì)天線指向高精度控制的同時(shí)，對(duì)可能發(fā)生的通訊鏈路中斷做出預(yù)案。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種通訊鏈路中斷后的自主恢復(fù)策略。一旦發(fā)生通訊鏈路中斷，探測(cè)器就會(huì)‘自主慢旋’，并在這一過(guò)程中，使天線掃到地球，進(jìn)而恢復(fù)通訊鏈路。這一過(guò)程也是環(huán)繞器自主實(shí)現(xiàn)。”軟件設(shè)計(jì)師周誌元說(shuō)。

如今，環(huán)繞器依然在穩(wěn)定環(huán)火飛行，成為了著陸巡視器與地球之間的通信橋梁，完成數(shù)據(jù)中繼任務(wù)后，它也將全力開啟自己的環(huán)火遙感之旅。(邱晨輝)