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2021年5月15日，中國成功實現(xiàn)火星著陸，實現(xiàn)這一壯舉的是我國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器。

鮮為人知的是，天問一號探測器包括環(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，那么天問一號的“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時許，天問一號探測器成功實施環(huán)繞器和著陸巡視器的“兩器分離”，3小時后，著陸巡視器成功穿越火星大氣，在火星表面實現(xiàn)軟著陸;兩器分離約30分鐘后，環(huán)繞器則進行升軌，返回火星停泊軌道，成為著陸巡視器與地球的通信中繼站，同時繼續(xù)進行火星環(huán)繞探測。

星際“專車”

據(jù)中國航天科技集團八院環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華介紹，為實現(xiàn)著陸巡視器準確進入火星著陸軌道，環(huán)繞器需要首先在攜帶著陸巡視器的情況下來到進入火星的軌道，實施兩器分離后，環(huán)繞器需要迅速抬升軌道，而著陸巡視器則進入火星大氣層。

這個分離前后的控制需要7個小時。

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)動機點火和關(guān)機、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動機點火和關(guān)機等系列動作。

“這是一系列很關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機動，稍有不慎，探測器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通訊時延的存在，我們并沒有辦法實時獲知探測器的狀態(tài)并對異常情況進行干預。”朱慶華說。

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

實際上，明確了著陸巡視器準確的著陸點后，探測器的一系列機動也就隨之確定下來了。在探測器進行第一次降軌點火的3個小時前，航天設(shè)計師已上注所有控制策略，策略中包含了對可能發(fā)生情況的應對。

分離時，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入預定著陸區(qū)的前提。這些需要依賴敏感器、執(zhí)行機構(gòu)、計算機以及算法的準確性，是對探測器制導、導航與控制系統(tǒng)的一次“大考”。

方案設(shè)計師王衛(wèi)華打了個比方：這就好比在室外，距離標準籃筐980米進行投籃，還必須事先考慮到投籃的角度、時機、投球力度，以及籃球自身旋轉(zhuǎn)運動、風速和風向外部環(huán)境等種種因素的影響。

同時，設(shè)計師們也做了不同情況下的預案和對策。當環(huán)繞器通過自身的敏感器發(fā)現(xiàn)沒有完成既定的動作時，會自主帶著著陸巡視器迅速進行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適的時機再次選擇執(zhí)行兩器分離的一系列動作。

通信“中繼站”

在此次火星探測任務(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，肩負對火星表面進行遙感探測的任務(wù)，同時選擇恰當?shù)臅r機來將巡視器的數(shù)據(jù)“中繼”傳向地球。

在距離地球2.93億公里的軌道上準確指向地球，相當于要在2米開外瞄準繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運動情況下，時刻保持瞄準狀態(tài)。

朱慶華說，環(huán)繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對巡視器數(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，需要驅(qū)動太陽電池陣對準太陽方向以保證自身電能的供應，同時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，環(huán)繞器需要同時實現(xiàn)對巡視器、地球、太陽3個目標的高精度同步指向控制，絕對可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”制導、導航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計師聶欽博說。

據(jù)他介紹，近地衛(wèi)星通常是長期對地穩(wěn)定，使用全向天線，不會出現(xiàn)通訊鏈路中斷的問題，而環(huán)繞器在環(huán)火飛行時與地球距離遠，由于天線波束角有限，設(shè)計師們要在確保對天線指向高精度控制的同時，對可能發(fā)生的通訊鏈路中斷做出預案。

“我們設(shè)計了一種通訊鏈路中斷后的自主恢復策略。一旦發(fā)生通訊鏈路中斷，探測器就會‘自主慢旋’，并在這一過程中，使天線掃到地球，進而恢復通訊鏈路。這一過程也是環(huán)繞器自主實現(xiàn)。”軟件設(shè)計師周誌元說。

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。

中青報·中青網(wǎng)記者 邱晨輝