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为什么“天问一号”要轨道修正和深空机动?

 记者从国家航天局获悉,9月20日23时,在我国首次火星探测任务飞行控制团队控制下,天问一号探测器4台120N发动机同时点火工作20秒,顺利完成第二次轨道中途修正,并在轨验证了120N发动机的实际性能。

所以到底是什么原因,火星探测器需要不断地轨道修正和深空机动呢?

我们知道,火星虽是地球的邻居,与地球之间的距离却在5500万到4亿千米之间不断变化,这远远超过了地月之间38万千米的平均距离。在选择火星探测窗口时,需要利用地球和火星每次靠近的机会,提前几个月发射,这种机会每隔约26个月才会出现。

探测器的奔火之旅,轨道按照探测窗口不同,可能长达5-7亿千米,耗时6-11个月不等。距离和时间带来了一个巨大的挑战:由于实际飞行情况极其复杂,理论轨道是不可能完全实现的,必须通过轨道修正和深空机动去尽量逼近。

火箭入轨精度

火星探测器结构复杂、飞行距离远、重量较大,对火箭要求很高。例如“天问一号”要一次完成“绕、着、巡”三大工程目标,它需要中国现役运载能力最强的“长征五号”运载火箭发射。

火箭推力强劲,往往设计成多级,每级数台发动机同时工作,最后一级甚至需要多次滑行和点火,最终才是星箭分离,整个过程随时都可能会带来微小偏差。因此,完美的入轨位置从来都只是理论值,人类目前任何一款火箭都无法达到。

这也意味着,所有的火星探测器,从出发时,就已经有了些许轨道误差。好在这个误差尚处在起步阶段,越早修正就能避免更多误差积累。

火星探测器经历极其复杂的受力扰动

举个最简单、也是航天领域最经典的三体问题:当三个物体在引力作用下自由移动时,它们的轨道就完全无法预测,没有准确模型能够描述,只能不断给出限定和假设,尝试通过各种数值法去逼近。这就是著名的“三体问题无解”。

而对于火星探测器而言,远远不止三体问题这么简单。太阳系内各种天体,例如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云甚至人类尚未发现的天体等,不计其数,它们都在向火星探测器施加万有引力。甚至隔着屏幕的你我,从理论上讲,我们也在努力把它“吸回地球”,只不过这个力太过渺小而已。

实际情况还要更加复杂,会有很多非引力项存在,它们又可以叫做非保守力。例如太阳辐射的光子会打在探测器表面产生光压,探测器本身热辐射,探测器星载仪器开机引起的辐射,相对论效应……等等。这些力随着探测器的工作状态、在太阳系内位置、太阳活动强度、空间天气等诸多因素的变化而变化,且这些因素几乎不可能准确预测。

因而,即便最聪明的航天轨道专家使用最厉害的电脑,考虑到所有可能的因素,依然只是“纸上谈兵”,不可能接近真实,只可能尽最大可能接近。

轨道修正和深空机动本身也不精确

如果把“天问一号”飞往火星比做驾车行驶,或许更容易理解:

它有一条规划好的线路,这叫预定轨道。

但基于前文分析,大家也了解它一定会跑偏一些,所以需要偶尔微调方向盘,让它保持在车道中间——这是轨道修正,是小修。

而车道也不是完美的直线,当需要拐弯时,你需要更大程度打方向盘——这是深空机动,是大机动。

打方向的过程中,也是你不断了解方向盘性能的过程,这对于深空探测器更是如此。在进入太空前,所有的测试都是在地面进行,但地面不可能代表真实的深空环境,更何况地球和探测器之间往往要面临非常大的双向时延,最远时往返通讯需要数十分钟。因而,轨道推进系统和姿态控制系统执行命令的精度到底如何,当然也需要进入轨道后评估测试,帮助后续的修正和机动做得更好。

“天问一号”前往火星之旅,需要航天人全程保驾护航

所有因素综合下来,任何一个火星探测器都不可能飞在一条理想的地火转移轨道上,中间需要数次轨道修正和深空机动。对于“天问一号”而言,需要1次深空机动和4-5次轨道修正。

轨道修正次数可能发生变化:如果工作状态极其理想,可以减少;考虑到具体情况,也可能增加。这也是所有火星探测器的普遍情况。

2020年8月2日7时整,刚出发不久的“天问一号”完成了首次轨道修正,3000牛推力的发动机工作20秒钟。一方面,它可以修正火箭入轨误差和初始轨道偏差,毕竟刚起步阶段极其重要,一定要小心“失之毫厘,谬以千里”;另一方面,也让航天人对推进系统的性能有了全方位了解,能让后续的修正和机动操作更加准确。

9月20日23时整,天问一号探测器4台120N发动机同时点火工作20秒,顺利完成第二次轨道中途修正,并在轨验证了120N发动机的实际性能。在中国航天人的努力下,天问一号发射入轨和第一次中途修正的精度很高,因此本次修正量很小。

“天问一号”飞行约7个月才能到火星,前途漫漫,充满挑战,背后支持它的是中国航天人的“最强大脑”。

(来源:国家航天局)


编辑:soul

责任编辑:崔翠 许小仙

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