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从“天问”到“天都”,这脚“刹车”有何不同

 


      2024年3月25日,随着一脚精准的“太空刹车”,天都一号、二号组合体在距月面209公里处成功实施近月制动,4台5N发动机点火,约11分钟后,发动机正常关机。卫星近月制动正常,顺利进入环月轨道。


      就在6天前,天都一号、二号组合体跟随鹊桥二号中继星发射升空,开展环月轨道测定轨试验验证与地月空间高速测控技术验证,近月制动是天都一号飞行过程中关键的轨道控制之一。高速飞行的卫星在靠近月球的时候,实施“刹车”制动,目的是使其相对速度低于月球逃逸速度,从而被月球引力捕获。

      从离开地球怀抱到投入月球怀抱,在整个地月转移过程中2次轨道修正,最终达到预期目标。

      负责天都一号姿轨控设计的研制团队就是在我国首次火星探测任务中,踩下天问一号探测器刹车的原班人马。从“天问”到“天都”,从地火转移到地月转移,对于姿轨控这位“司机”而言,这两脚刹车有何不同?

      据上海航天控制所空间飞行器方案总体研究室介绍,不管是火星捕获还是月球捕获,窗口期都是“转瞬即逝”的,而且有严格的“限速”要求,这脚刹车踩得早了或晚了都不行,踩得太轻或太重也不行。

      所以,在整体轨道确定与轨道控制方案上,研制团队充分继承了天问一号火星环绕器深空轨道计算方法和制动捕获安全策略,保证制动捕获的精度和可靠性。但是由于两个飞行器的体型、推力发动机配置、轨道条件等一系列差别,实际姿轨控参数设计和飞控过程还是很不一样。

      首先,从“体型”上来说,天都一号整星重量只有61公斤,和天问一号的“体型”差距巨大,要达到同样的制动效果,需要克服的惯性差别极大。

      “好比一辆小轿车和一辆接近百吨总重的卡车,在高速公路上减速下匝道,两辆车需要的制动距离、制动力度肯定是不一样的。”相对于火星探测器1台3000N轨道控制发动机“力挽狂澜”同时配多台推力器进行精准调整的豪华配置,天都一号在推力器配置上进行了很大简化,研制团队通过算法设计,让天都一号具备推力器姿态与轨道复合控制的能力。

      另一方面,地火转移过程中,探测器距离地球1.92万亿公里,地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过11分钟。相对而言,天都一号所面临的通信延迟几乎可以忽略不计,但是姿轨控仍然延用了火星制动捕获时的全自动“刹车”技术。“这是因为小卫星窗口期更短、遥测数据更新慢,依靠地面测控进行控制仍然来不及。”研制人员介绍。

      而且,受卫星重量的严格约束,与大型探测器相比,天都一号的姿态敏感器冗余度也进行了简化,因此,系统针对轨道控制过程设计了完善的故障诊断与自主处理方法,足以应对奔月途中的各种交通状况。

      后续,经轨道控制,天都一号、二号组合体将进入24小时周期的环月大椭圆冻结轨道,实施两星分离,环绕月球进行编队飞行,开展月球轨道导航空间基准异源标定、Ka 频段通信测距一体化新体制试验、月地高可靠传输与路由等新技术验证,为架设地月“鹊桥网络”提供技术支撑。

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