在全國(guó)人民歡度春節(jié)的日子里，中國(guó)航天人又做了一件世界矚目的大事：我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器天問一號(hào)成功制動(dòng)捕獲，進(jìn)入環(huán)月軌道。再過三個(gè)月，紅色的火星將迎來首位“中國(guó)訪客”。
火星上是否存在生命，火星上“哭泣的臉”是否是外星文明留給人類的警示……我國(guó)首顆自主火星探測(cè)器天問一號(hào)，將在人類史上第一次通過一次發(fā)射任務(wù)完成“繞、落、巡”火星探測(cè)，通過我們自己的探測(cè)器逐步揭開火星的神秘面紗。
要想揭開面紗，首先要達(dá)到火星。那么，這次天問一號(hào)的火星之旅有哪些看點(diǎn)，記者帶你一起細(xì)數(shù)。
看點(diǎn)一：不是一次“說走就走”的旅行
去火星旅行，可不像我們外出旅游那么隨意，可以說走就走。
那是因?yàn)?，來?chǎng)說走就走的火星之旅，難度實(shí)在有點(diǎn)大，目前人類的科技還做不到。要想去火星，動(dòng)輒需要高達(dá)70公里/秒的逃逸速度，而目前人類的運(yùn)載火箭所能提供的最大逃逸速度僅為15公里/秒左右。為了盡量節(jié)省能量，我們通常選擇“霍曼轉(zhuǎn)移”的方式來實(shí)現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移，霍曼轉(zhuǎn)移所用的軌道是一近地點(diǎn)在較低高度、遠(yuǎn)地點(diǎn)在較高高度的橢圓軌道，而這需要等待地球與火星公轉(zhuǎn)到特定的相對(duì)位置時(shí)發(fā)射火星探測(cè)器。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道
地球的公轉(zhuǎn)周期約365.26天，火星的公轉(zhuǎn)周期約687.99天，因此地火的交會(huì)周期為約778天，即約26個(gè)月。也就是說，地球與火星每隔26個(gè)月才會(huì)再次出現(xiàn)一次可通過霍曼轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)軌道交會(huì)的機(jī)會(huì)，被稱之為“發(fā)射窗口”，每次的窗口約持續(xù)20天。
一旦錯(cuò)過當(dāng)年的窗口，那就只能等下一個(gè)兩年后了。比如歐俄聯(lián)合的ExoMars火星探測(cè)器就因?yàn)榻德鋫愕膯栴}一直不能解決，只能遺憾地錯(cuò)過2020年7月下旬的窗口，計(jì)劃推遲到2022年9月。2020年計(jì)劃中的火星探測(cè)任務(wù)除了我國(guó)以外，還有美國(guó)的毅力號(hào)火星車、阿聯(lián)酋的希望號(hào)火星環(huán)繞器。
根據(jù)2020年的發(fā)射窗口，中國(guó)航天科技集團(tuán)上海航天技術(shù)研究院研制團(tuán)隊(duì)完成了地火至火星的轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計(jì)，為天問一號(hào)探測(cè)器量身定做一條通往火星的星際高速公路。正是這條高速公路的完美成型，讓我國(guó)于2020年7月23日如期在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)將天問一號(hào)送入太空。
看點(diǎn)二：“豬排”地火轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計(jì)
說到地-火轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計(jì)，就不能不說到“Pork-Chop”了，即“豬排”。
當(dāng)然，這肯定不是因?yàn)檐壍涝O(shè)計(jì)師們的飲食口味，而是設(shè)計(jì)師們?cè)谶M(jìn)行行星際探測(cè)軌道設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)針對(duì)不同發(fā)射日期與到達(dá)日期，繪制所需要發(fā)射能量的等高線圖，這張等高線圖酷似兩塊豬排，“Pork-Chop”由此在業(yè)內(nèi)叫開。
為了盡可能讓火星探測(cè)器多帶點(diǎn)儀器設(shè)備，對(duì)火星一次看個(gè)夠，軌道設(shè)計(jì)師們需要找到一條最省能量的地火轉(zhuǎn)移軌跡。為此，設(shè)計(jì)師們首先要將復(fù)雜的地火轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為一個(gè)“地球+火星”的二體引力模型，通過求解二體模型中經(jīng)典的蘭伯特問題，得到窗口中每一對(duì)發(fā)射與到達(dá)日期所需要的能量，從而可以繪制出發(fā)射能量等高線“豬排”。
地火轉(zhuǎn)移軌道
在“豬排”圖上選定的日期作為初值，可以采用微分修正等數(shù)學(xué)方法，在一定精度的火星探測(cè)軌道動(dòng)力學(xué)模型中經(jīng)過迭代計(jì)算，便可以得到用于飛行任務(wù)使用的地-火轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)結(jié)果了。
看點(diǎn)三：必須一次成功的“太空剎車”
2020年7月23日天問一號(hào)升空后，以近10萬千米/小時(shí)（約30千米/秒）的速度沿著地-火高速公路向前飛行。然而，即便以如此高的速度，探測(cè)器也要經(jīng)過約7個(gè)月的長(zhǎng)途奔波才能到達(dá)火星，這時(shí)探測(cè)器需要完成關(guān)鍵的捕獲制動(dòng)控制。
回顧剛剛完成天問一號(hào)制動(dòng)捕獲，火星環(huán)繞器當(dāng)時(shí)啟動(dòng)了其配備的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推力減速，將速度降低至能夠被火星引力捕獲，最終成為一顆環(huán)繞火星的衛(wèi)星。如果速度太快，探測(cè)器當(dāng)時(shí)就會(huì)飛越火星繼續(xù)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。
打個(gè)比方，地火轉(zhuǎn)移軌道就像是一條以太陽(yáng)為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個(gè)出口，一旦探測(cè)器不能及時(shí)剎車、從火星出口下高速，那就只能多繞一圈，到下次路過該出口了，而這需要數(shù)年的等待。
剎車制動(dòng)
這樣的遺憾，已經(jīng)有不少案例。2010年12月日本的拂曉號(hào)金星探測(cè)器就由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障而未能及時(shí)完成金星捕獲制動(dòng)，直接飛越金星。直到2015年12月，它才再次回到金星附近，此時(shí)它已經(jīng)接近壽命末期，還好此次捕獲成功。
其實(shí)，面對(duì)這一關(guān)鍵的剎車段，天問一號(hào)的研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了相當(dāng)靠譜的剎車方案，不僅可以準(zhǔn)確判斷是否降至目標(biāo)速度，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速控制的過程中，還可以全自主地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并自主更新剎車參數(shù)及相應(yīng)的控制算法，最終確保了可靠、精準(zhǔn)的完成了剎車。
看點(diǎn)四：精準(zhǔn)與可靠兼顧的高難度“跳水”
成功剎車制動(dòng)后，在無形的火星引力之手牽引下，經(jīng)過幾個(gè)月的詳細(xì)觀察與調(diào)整后，天問一號(hào)將實(shí)施火星之旅的另一項(xiàng)關(guān)鍵動(dòng)作——器器分離。
在約3個(gè)小時(shí)內(nèi)，環(huán)繞器需要變軌到危險(xiǎn)的撞擊火星軌道，建立并保持著陸器進(jìn)入火星大氣所需要的姿態(tài)，而姿態(tài)的誤差要小于0.01度。在預(yù)定分離時(shí)刻，環(huán)繞器與著陸器必須完成分離，經(jīng)過安全距離飄飛過程后，環(huán)繞器需要迅速完成推力加速，以回到安全的環(huán)繞火星軌道。
環(huán)繞器猶如一名優(yōu)秀的跳水運(yùn)動(dòng)員，需要完成一次空中高難度的翻騰和時(shí)間精準(zhǔn)的入水。環(huán)繞器這一系列姿態(tài)機(jī)動(dòng)“翻騰”和器器分離“入水”動(dòng)作必須一氣呵成?！叭胨碧珉y以保證著陸器進(jìn)入精度，“入水”太晚則會(huì)造成環(huán)繞器撞擊火星的風(fēng)險(xiǎn)。
“精準(zhǔn)”與“可靠”如何選擇？航天設(shè)計(jì)師們的答案是“我都要”。設(shè)計(jì)師們仔細(xì)考量分離過程的潛在風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了從姿態(tài)測(cè)量、速度計(jì)算、推力輸出等各因素出現(xiàn)故障情況下的自主處置預(yù)案，使得環(huán)繞器在部分推力器或敏感器失效等情況下，既能保證環(huán)繞器與著陸器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分離，又能保證分離后環(huán)繞器安全返回環(huán)火軌道。
這場(chǎng)精妙絕倫的高難度“跳水”，將在3個(gè)月后上演，一定不能錯(cuò)過。
