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    為什么天問一號要軌道修正和深空機動?

    發布日期:2020年09月21日 來源 : 中國的航天微信公眾號 字體: 【大】【中】【小】

      9月20日23時,在我國首次火星探測任務飛行控制團隊控制下,天問一號探測器4臺120N發動機同時點火工作20秒,順利完成第二次軌道中途修正,并在軌驗證了120N發動機的實際性能。


      所以到底是什么原因,火星探測器需要不斷地軌道修正和深空機動呢?


      我們知道,火星雖是地球的鄰居,與地球之間的距離卻在5500萬到4億千米之間不斷變化,這遠遠超過了地月之間38萬千米的平均距離。在選擇火星探測窗口時,需要利用地球和火星每次靠近的機會,提前幾個月發射,這種機會每隔約26個月才會出現。



    2000-2022年地球和火星距離變化,各探測任務在太空中飛行的時間區間


      探測器的奔火之旅,軌道按照探測窗口不同,可能長達5-7億千米,耗時6-11個月不等。距離和時間帶來了一個巨大的挑戰:由于實際飛行情況極其復雜,理論軌道是不可能完全實現的,必須通過軌道修正和深空機動去盡量逼近。

     
      火箭入軌精度


      火星探測器結構復雜、飛行距離遠、重量較大,對火箭要求很高。例如“天問一號”要一次完成“繞、著、巡”三大工程目標,它需要中國現役運載能力最強的“長征五號”運載火箭發射。



    長征五號發射“天問一號”的壯觀場景


      火箭推力強勁,往往設計成多級,每級數臺發動機同時工作,最后一級甚至需要多次滑行和點火,最終才是星箭分離,整個過程隨時都可能會帶來微小偏差。因此,完美的入軌位置從來都只是理論值,人類目前任何一款火箭都無法達到。


      這也意味著,所有的火星探測器,從出發時,就已經有了些許軌道誤差。好在這個誤差尚處在起步階段,越早修正就能避免更多誤差積累。


      火星探測器經歷極其復雜的受力擾動


      舉個最簡單、也是航天領域最經典的三體問題:當三個物體在引力作用下自由移動時,它們的軌道就完全無法預測,沒有準確模型能夠描述,只能不斷給出限定和假設,嘗試通過各種數值法去逼近。這就是著名的“三體問題無解”。


      而對于火星探測器而言,遠遠不止三體問題這么簡單。太陽系內各種天體,例如恒星、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、空間碎片、星際分子云甚至人類尚未發現的天體等,不計其數,它們都在向火星探測器施加萬有引力。甚至隔著屏幕的你我,從理論上講,我們也在努力把它“吸回地球”,只不過這個力太過渺小而已。


    太陽系的萬物都在影響火星探測器軌道??NASA+中文注釋


      實際情況還要更加復雜,會有很多非引力項存在,它們又可以叫做非保守力。例如太陽輻射的光子會打在探測器表面產生光壓,探測器本身熱輻射,探測器星載儀器開機引起的輻射,相對論效應……等等。這些力隨著探測器的工作狀態、在太陽系內位置、太陽活動強度、空間天氣等諸多因素的變化而變化,且這些因素幾乎不可能準確預測。


      因而,即便最聰明的航天軌道專家使用最厲害的電腦,考慮到所有可能的因素,依然只是“紙上談兵”,不可能接近真實,只可能盡最大可能接近。


      軌道修正和深空機動本身也不精確


      如果把“天問一號”飛往火星比做駕車行駛,或許更容易理解:


      它有一條規劃好的線路,這叫預定軌道。


      但基于前文分析,大家也了解它一定會跑偏一些,所以需要偶爾微調方向盤,讓它保持在車道中間——這是軌道修正,是小修。


      而車道也不是完美的直線,當需要拐彎時,你需要更大程度打方向盤——這是深空機動,是大機動。


      打方向的過程中,也是你不斷了解方向盤性能的過程,這對于深空探測器更是如此。在進入太空前,所有的測試都是在地面進行,但地面不可能代表真實的深空環境,更何況地球和探測器之間往往要面臨非常大的雙向時延,最遠時往返通訊需要數十分鐘。因而,軌道推進系統和姿態控制系統執行命令的精度到底如何,當然也需要進入軌道后評估測試,幫助后續的修正和機動做得更好。



    “天問一號”前往火星之旅,需要航天人全程保駕護航


      所有因素綜合下來,任何一個火星探測器都不可能飛在一條理想的地火轉移軌道上,中間需要數次軌道修正和深空機動。對于“天問一號”而言,需要1次深空機動和4-5次軌道修正。


      軌道修正次數可能發生變化:如果工作狀態極其理想,可以減少;考慮到具體情況,也可能增加。這也是所有火星探測器的普遍情況。


      2020年8月2日7時整,剛出發不久的“天問一號”完成了首次軌道修正,3000牛推力的發動機工作20秒鐘。一方面,它可以修正火箭入軌誤差和初始軌道偏差,畢竟剛起步階段極其重要,一定要小心“失之毫厘,謬以千里”;另一方面,也讓航天人對推進系統的性能有了全方位了解,能讓后續的修正和機動操作更加準確。


      9月20日23時整,天問一號探測器4臺120N發動機同時點火工作20秒,順利完成第二次軌道中途修正,并在軌驗證了120N發動機的實際性能。在中國航天人的努力下,天問一號發射入軌和第一次中途修正的精度很高,因此本次修正量很小。


      “天問一號”飛行約7個月才能到火星,前途漫漫,充滿挑戰,背后支持它的是中國航天人的“最強大腦”。

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