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“天问一号”登陆火星表面,将会面临哪些挑战?

本文来自微信公众号“赛先生”(mrscience100),作者:庞之浩(全国空间探测技术首席科学传播专家),责编:叶水送

导读

“天问一号”成功进入火星轨道后,已成功实施了四次变轨,目前天问一号仍在火星轨道上获取火星大气和降落地点等数据。接下来我们将迎接它的下一个任务:登陆火星表面,预计“天问一号”着陆巡视器于5、6月份着陆火星表面。

此前,国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰表示,“天问一号”后续至少还要闯两关,方能圆满实现探测目标。其一,当探测器完成环绕任务后需要寻找一个非常好的小窗口,让它进入到火星大气;其二,软着陆在火星表面还不算做完工作,因为我们还要把火星车释放到火星表面上,让它走起来并开展探测,火星车上有6台科学仪器要发挥作用,难度也很大,因为我们对火星表面的环境认知还是相当少的。

本文作者庞之浩亦对“天问一号”现阶段取得的突破,以及即将面临的挑战逐一分析。

“天问一号”取得的四个突破

2月10日,“天问一号”顺利进入火星轨道。据航天八院介绍,总的来说,“天问一号”的环绕器主要取得了以下四个突破。

01 精准捕获

“天问一号”抵达火星附近时,相对于火星的速度约为4~5千米/秒,因此,环绕器在接近火星后要抓住唯一的机会制动减速,实现对火星的捕获。捕获时探测器距离火星最近仅400千米,稍有偏差就会撞击火星或飞离。由于单向通信时延达到了约11分钟,所以只能依靠探测器自主执行捕获。

捕获过程中,“天问一号”的环绕器要准确地进行点火制动,即“踩刹车”。“踩刹车”的时机确定依赖于精确的轨道预报和精准的器地校时,“踩刹车”的时长取决于发动机和控制系统工作的可靠性。

为了精确把控发动机的开关时机,环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨,再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息,得到环绕器的精确位置。在制动过程中,依靠可靠的系统硬件配置和捕获策略设计,可确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火捕获轨道。

02 信号接收

环绕器距离地面最远达到了4亿公里,到达接收端的信号极其微弱,时间延迟是月球探测器的1000倍,信号衰减是月球探测器的100万倍。为此,研制团队研制了以超高灵敏度的数字化应答机和大口径可两维驱动天线为核心的X频段测控数传一体化测控系统。

超高灵敏度的应答机可让环绕器能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号,正确解析并执行地面的指令。

大口径可两维驱动天线让环绕器通过精准的两维指向控制,将天线实时对准数亿公里外的地球,尽可能多的收集信号能量,并传递给应答机。同时,大口径天线也有“聚音成束”的功能,将环绕器在火星看到的、感知到的信息,亿万里传音到地球。

03 自主管理

由于火星环绕器距离地球远,通信延时大,探测器与地面站通信还存在独特的“日凌”现象,为此研制了高度集成的小型化综合电子系统,实现了器务管理、遥测遥控、热控管理、配电管理、推进控制、机构驱动、数据存储功能的一体化,为综合信息自主管理奠定了硬件基础。通过设计多系统多模式器上信息综合自主处理的方法,保证了一级故障任务正常执行,二级故障整器安全。通过关键技术攻关,实现了环绕器在轨自主运行大于30天的能力。

04 光学导航

除了地面无线电导航支持外,环绕器还配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器,因而具备了自主定位的能力。

在火星捕获制动阶段,由于远离地面的距离遥远,所以环绕器要结合器上自主导航手段,快速提供高精度轨道数据。光学导航敏感器采用恒星姿态识别+硬脉冲校时确保时空对准,通过亚像素级图像处理获取火星轮廓并解算出自身位置。此外,环绕器还配备了红外导航敏感器,采用可见光谱段和长波红外谱段复合探测方式,通过对火星凝视成像,检测火星图像边缘,辅助环绕器完成轨道测量。两台导航敏感器实现了环绕器不同阶段的精确位置自主确定,即使没有外部导航信息,火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。

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