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田文1号火星探测器亮相:瘦身、抢眼、超脑

时间:2021-02-26 08:50:23作者:佚名

原标题:田文1号火星探测器亮相:瘦身、抢眼、超脑

田文1号刹车抓拍效果图。照片由中国航天科技集团第八医院提供

[编者按]

今年春节,中国首次火星探测任务再次引起关注。2月10日,田文一号探测器抵达火星轨道,成为中国第一颗人造火星卫星。2月12日,田文一号从遥远的火星轨道上发出新年祝福,其火星捕捉过程的图像被公之于众。2月15日,田文一号成功地进行了飞机机动,捕获了轨道上的远处发射点。当田文1号成功实现绕火星“盘旋、着陆和巡逻”的第一步时,这个版本推出了一个特殊的解释。

在过去的春节假期里,中国首次火星探测任务频繁,陆续进入公众视线-

第一,2月10日晚,田文一号探测器抵达火星轨道,成为我国首颗人造火星卫星,实现了“盘旋、着陆、巡逻”第一步“盘旋”的目标,成功绕火星飞行。

然后,2月12日,田文一号从火星遥远的轨道上发来新年祝福:其火星捕获过程的图像公之于众,太阳翼、定向天线、火星大气和表面形态清晰可见。

最近的一次是在2月15日,当时田文1号成功地进行了飞机机动,以捕获轨道上的远处发射点。后来经过几次轨道调整进入火星的停车轨道,计划5月至6月登陆火星。

至此,田文一号探测器系统包装副总设计师朱新波终于放下了悬着的心。他告诉《中国青年报》和《中国青年网》记者:“为了这一天,整个周边开发团队都被磨炼了,等了10年!”

八位院士联名上书

现在回想起来,田文一号的开发和示范起点是2010年。那一年,中国刚刚发射了第三颗北斗导航卫星,在月球探测上迈出了“盘旋、坠落、返回”的第一步。外界很难想象,今年中国航天员把目光投向了火星。

探测器系统副总指挥、中国首次火星探测任务总指挥张玉华表示,2010年,在八位院士联名上书的帮助下,中国深空探测重大专项示范拉开帷幕。此后,她所在的第八研究院火星队开始参与中国深空探测重大专项论证。2013年,按照分工,八院火星团队转向火星环行器整体演示。

在争论开始时,我们只遇到了“障碍”:当唯一的刹车被抓住时,如何踩刹车?工艺复杂的两个设备的分离怎么设计?遥测遥控中断的30天“日照期”怎么度过?亿万公里外的火星探测器如何进行自主管理?

“面对这些问题,我们没有退缩。关键技术是包装的核心,千万不要对别人假手!”张玉华告诉记者,中国在深空探测领域是一个后来者,对深空探测所需的技术积累有限。为了实现深空探测工程的目标,必须克服一系列关键技术。

在克服饺子皮自我管理的问题上,朱新波带领团队组建了一支敢于啃硬骨头的年轻研究团队。

这不是一个只会坐在办公室里伏案实验的“学者团队”。朱新波告诉记者,为了充分发挥协作优势,团队中的年轻设计师频繁往返于北京和上海之间,不断完善项目建议书和任务书,边演示边进行研究。

他举了一个例子:通信延迟是对火星轨道控制的巨大挑战。由于探测器离地球太远,即将步入绕火轨道的田文一号与地球之间的通信延迟超过10分钟,这意味着地面宇航员无法实时监控和快速响应火星的捕获。

朱新波表示,面对这样一个“视觉盲区”,轨道设计团队配合控制系统分析了近1000个故障情况,确定了关键参数和阈值,确保火星车能够在地面无法实时控制的情况下,正确判断和应对可能出现的情况。

“凭借‘初生牛犊不怕虎’的热情,我们获得了深空探测自主管理与控制的关键技术,并取得重大突破,使后来的田文一号拥有了一个聪明的‘大脑’。”朱新波说。

但在这里,科研的大戏才刚刚开始。

成功的唯一机会

在到达火星轨道之前,田文1号需要抓住唯一的机会“刹车并捕获”火星。作为中国首次火星探测任务中技术风险和难度最高的环节之一,这一动作被形象地称为“踩刹车”。

“为什么你说只有一次机会?如果点火时间过长,探测器会迎面撞上火星;如果点火时间过短,探测器就会飞离火星。这就对环绕声的姿态和轨道控制子系统提出了极高的要求。”朱新波说。

他打了个比方:每一个开车的人都知道,在下高速公路的坡道时,有必要减速,这样才能安全通过弯道。同样,对于高速接近火星的探测器,要想被火星引力捕获,必须在“捕获窗”对应的轨道弧内准确、自主、可靠地“刹车”。

理论上,通过给探测器一个反推力,它的速度可以降低。但在项目实施过程中,仍然存在很多问题:火星引力的“捕捉窗口”有限,需要探测器在10分钟内将其速度降低1km/秒左右。此外,由于通信延迟,探测器必须完全依靠自身完成发动机的点火和停机,克服发动机点火过程中的干扰,实现点火方向和点火持续时间的精确控制。

问题摆在我们面前,年轻的研发团队再次行动起来。

饺子皮团队总设计师谢攀告诉记者,为了解决这个问题,他和同事们不断碰撞,提出了上百个解决方案。最后,他们决定用“启动时间”和“速度增量”两个指标来控制发动机的“双停车策略”。这样,包装器还可以独立生成二级捕获策略,最大限度地保证任务的成功。

2016年,中国首个自主火星探测任务正式启动。在随后的几年里,谢盘的研究团队先后攻克了火星制动捕获、超远距离通信、长期在轨自主管理、深空光学自主导航等多项关键技术。

谢攀表示,在过去的四年里,研究小组不知道经历了多少次测试,但没有再次尝试,如果成功,将重复验证,所有这些都是为了确保可靠、准确地完成这一困难的“刹车”。

千分之三不可忽视

在一次地面半物理模拟试验中,田文-1的捕获制动精度明显偏离指标要求,这让朱庆华的心一下子就提到了嗓子眼。

环绕声技术副总设计师疑惑:方案考虑了探测器油耗引起的质量变化,也考虑了推力方向偏心引起的姿态干扰等各种可能的因素。为什么精度还是不够?

研究小组立即再次分析了捕获制动的过程,最终发现制动前的“沉底”时间过长,影响捕获控制的速度增量约0.3%。

所谓“沉底”,就是在主机推力减速前,维持探测器姿态控制的小推力器开始工作,推力器产生的加速度由姿态控制,使燃油集中在油箱底部,方便主机工作。

朱庆华告诉记者,研究小组很快对这一过程进行了准确的分析,将下沉过程的推力降低了一倍,并将下沉过程对速度增量的影响引入到主机停机时机的计算中。通过方案优化和进一步的仿真验证,捕获制动精度得到了显著提高。

如果一个细节暴露了问题,其他细节会不会有类似的问题?

R&D团队开始“举一反三”:负责指挥和控制任务的GNC部队采用了三模式冗余方案。在团队的多轮设计、模拟和验证工作下,三台电脑可以保证“步调一致”,实现“民主投票”,即计算时间和初始数据始终一致,然后通过少数服从多数的原则,可以保证计算结果准确。

朱庆华说,为了保证这一“刹车”的可靠完成,在四年的研制过程中,研究小组不断测试发动机推力方向和大小、发动机推力干扰力矩、太阳帆板柔性振动、推进剂液体燃料晃动等各种参数的正常范围和极限偏差,分析GNC系统在试验和测试中的性能,快速定位异常现象,优化方案。

“我们用自己的算法模拟了一些知名的火星探测任务,模拟结果与国际上公布的数据非常吻合。”包装纸GNC子系统的生产和维护工程师刘玉说。

到目前为止,具有自主控制能力的田文一号已经成功实现了捕获制动。刘玉告诉记者,他预计田文1号将在探索火星火灾方面带来更多新发现。

每一个脚印都在创造历史

2020年,新冠肺炎的突然爆发打乱了火星环绕装置原型产品的工厂步伐。

朱新波告诉记者,为了降低人员流动的风险,团队决定分两条线并行推进工作:一个团队在北京完成与北京飞控中心的无线1: 1联测,另一个团队负责完成上海整机厂审查的准备工作。

测控数据传输子系统是田文一号探测器最重要的子系统之一。该系统不仅需要对整个装置进行各种测试,还需要进行测控站与应用站之间的对接。朱新波表示,对接工作时间跨度大,合作距离长,需要长时间保持同时工作。

北至佳木斯深山密林,西至喀什戈壁沙漠,南至文昌湿热岛,东至上海佘山脚下...在中国首个高灵敏度数字深空应答机测控应用对接任务中,研究团队短短几个月内,走遍了八个地方,带着星星带着月亮,去了上万公里。

2020年7月,田文一号成功发射后,开发商有必要同时飞北京和上海。饺子皮副总指挥褚英之告诉记者,在田文一号的星际火星之旅中,队员们每天“两班倒”,全程“有人陪同”。

2021年2月进入火星刹车捕捉关键节点,R&D团队全部前往北京飞控。总设计师牛俊坡告诉记者,全体成员到达北京后,进行了飞控文件的最终确认,并与北京飞控中心进行了一次又一次的协调演习。

第一次得知田文-1成功进入绕火轨道,牛俊坡缓缓松了一口气,写下了这段话:“好奇心是藏在人类心中的神秘种子,热情是蕴藏在人们体内的无限力量,深空是等待人们探索的未知领域,梦想是激励我们前进的明灯。我们做的每一件事,踩的每一个脚印,都在创造历史!”

他告诉记者,在10年的征途中,火星环绕装置的开发团队奉献了青春和智慧,承担了责任和压力。

截至目前,火星探测研发团队已连续开展在轨飞行控制任务200多天,完成了4次中途修正和1次深空机动,开展了各种自检和功能验证工作,测试了探测器测控通信、能量保障、姿态和轨道控制以及自我管理能力。

他们现在最期待的,是五月到六月的降火时间。

“疫情期间,我赶上了发展的最后阶段,一生坐了20多个小时的公交车。希望疫情快点过去,火顺利顺利。希望今年在外度过的时间不要超过上一年。天数。”

——火星Surrounder测控数据传输总设计师王敏建在京沪大巴上贴出这个朋友圈后,他怎么也想不到,田文一号到达火星轨道,成为中国第一颗人造火星卫星后,他的出差日子又重新焕发了生机。

来自中国的火星信使田文1号将继续环绕火星飞行。年轻宇航员王敏建的探火之旅也在路上。

揭开田文一号火星探测器的神秘面纱

田文1号刹车抓拍效果图。照片由中国航天科技集团第八医院提供

随着田文一号被火星引力成功捕获,它的包装结构被揭开了。田文1号探测器由一个环绕巡逻队和一个着陆巡逻队组成。其中,“空间通才”包装器有三个功能:飞行器、通信器和探测器。

探测器系统副指挥官、中国首次火星探测任务轨道飞行器指挥官张玉华表示,在近7个月的飞行中,田文一号轨道飞行器首次被用作向火星着陆轨道派遣着陆巡逻队的飞机。登陆巡逻成功释放后,环绕声作为通信器,在登陆巡逻和地面之间建立中继通信链路。通信工作完成后,环绕装置被用作火星科学探索的探测器。

“减肥减肥”

据中国航天科工集团第八研究院田文-1恩西克勒的结构团队杜东博士介绍,为了克服地球的强大引力,冲向火星,田文-1探测器的总重量不能超过5000公斤,但为了到达遥远的火星,它需要携带至少2500公斤的推进剂,除了着陆巡逻队占用的1300公斤以外,恩西克勒本身的干重严格限制在1200公斤以内。

“1200公斤的环绕包括结构和其他各种设备的重量,还考虑了各种大容量设备的安装要求,如2.5米可展开的驱动天线、太阳能阵列和高分辨率摄像机。”杜东表示,如何在重量有限的情况下实现高效的轴承和设备安装,已经成为环绕结构团队面前的“路障”。

环绕结构总设计师王建伟表示,对于航天器来说,质心越低,重量越轻,发射成本越低,所以结构配置设计的目标是尽可能减小质心,优化重量,兼顾设备安装要求。围绕这一核心原则,结构团队进行了几轮结构配置论证。

“探测器的重量是一克,发射成本会远远超过一克黄金。”杜东表示,为了继续“减重”,环抱装置的结构团队也将注意力转向了重量最大的结构核心部件——中心承重筒,创新性地采用了“全复合主承重结构”,在材料上下了很大功夫,使环抱装置能够在苛刻的重量极限条件下实现高效承重。

《火眼》

当田文一号探测器靠近火星时,它是如何独自发现火星的?

中国航天科工集团第八研究院光学导航专家郑告诉记者,-1号探测器上的光学导航传感器可以利用拍摄到的恒星和火星图像精确计算自身的飞行姿态、位置和速度,实现相对于火星的自主导航。

“光学导航传感器就像田文一号火星探测器自动驾驶过程中的‘眼睛’。”郑对说道。据他说,在接近火星的过程中,探测器用这些“眼睛”实时观察火星的距离和方向,使飞行控制小组能够更直观地确定飞行轨道和姿态,计算图像中火星的几何中心和视半径,田文-1号可以通过最优估计算法独立获得实时位置和速度信息。

郑说,在过去的7年里,在2500多个日日夜夜的攻关中,研究小组不是在做实验,就是在做实验的路上。得益于广泛的测试数据,团队完成了几轮设计方案的优化,最终完成了最坏情况下所有功能和性能的验证。

"这是中国首次在星际转移飞行中应用光学自主导航技术."郑表示,国内没有以前的工程经验可以参考,研究团队稍微探索了一下,设计了100多个大大小小的实验项目,最终使我国成为世界上第二个在轨掌握和验证火星光学自主导航技术的国家。

“超脑”

集成电子子系统被称为田文-1 surroupper的“超级大脑”,负责控制surroupper的所有信息。

张玉华说,在田文一号轨道飞行器探索火星的过程中,轨道飞行器上的各种科学仪器将产生大量的科学数据,这些数据必须送回地面供科学家研究。此外,轨道飞行器上的光学导航传感器和红外导航传感器的数据也需要送回地面进行进一步分析。集成电子子系统负责处理和存储这些原始数据,并在正确的时间将其传输回地球。

据她介绍,通常绕地球运行的卫星由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制。然而,与地球卫星不同,火星包装器通常没有时间依赖地面命令来实时处理探测器,因为它们离地面很远,并且通信时间延迟很长。

此外,深空探测器与地面站之间的通信有一个独特的“孙玲”现象,即当探测器、地球和太阳在同一条线上时,太阳辐射会干扰地面火灾之间的射频信号传输,导致通信中断。因此,在“孙玲”时期,饺子皮们必须“照顾好自己”。

据张玉华介绍,针对这些情况,环绕装置综合电子子系统研究小组进行了一系列技术研究,设计了长时间无上行指令的深空探测自主管理机制,以及整个装置的断电和恢复功能,使环绕装置在必要时能够“自理”,从而实现环绕装置在轨自主运行60多天的能力。

她告诉记者,自从环火开始,田文一号已经正式成为火星的一颗卫星。接下来,田文1号将进行轨道调整和两次近距刹车,而田文1号和火星之间的最近距离只有265公里。之后,田文一号探测器将在盘旋的同时完成拍摄任务,并进行预选着陆区探索,计划于2021年5月至6月在火星着陆。

“高清摄影师”

2月12日,美国国家航天局发布了田文1号抵达火星轨道的图像。本次拍摄任务的工程测量子系统是由中国航天科工集团第八研究院509所设计开发的火星捕捉背后的“摄影师”。

张玉华说,为了直观地监测田文一号在轨工作状态,火星恩西克勒工程测量小组专门设计了一套由多个小质量、小尺寸、低能耗的“小块”组成的工程测量子系统,包括固定遥测探头、近程遥测探头和国旗,在捕获过程中使用了两个固定遥测探头的固定测量传感器进行拍照。

在飞往火星的过程中,固定遥测探头全程监控田文1号的状态,完成太阳翼部署过程和定向天线部署监控,并在定向天线部署到位时拍摄地球。

张玉华说,自中国第一个独立的火星探测项目建立以来,如何做好田文一号在轨飞行的可视化监控已经成为开发团队面临的重要任务之一。结合整个飞行过程,火星恩西克勒的工程测量团队设计了太阳翼展开、定向天线展开、地球和月球拍照、太空拍照、火星拍照、飞船分离等监测任务。

她告诉记者,在下一次飞行中,火星环行探测器的工程测量子系统将继续执行任务,持续监控太阳翼和定向天线的运行,对航天器的分离过程实施可视化监控,继续为田文一号的探索之旅保驾护航。

田文一号来信

田文1号刹车抓拍效果图。照片由中国航天科技集团第八医院提供

亲爱的家人:

离开家200多天,徒步4.75亿公里,终于在离火星400公里的地方“刹车”,进入围绕火的轨道。回望地球家园,2亿公里之外。我的家人一切都好吗?

我知道我的家乡现在是立春之后,我深受感动。2020年7月烈日下出发。地球上的你,经历了炎炎夏日,金色的秋天,寒冷的冬天,一路小心翼翼的守护着,陪伴着我回到春天的大地。从我出发取火的那天起,家人日夜解读我的状态,中间修改了四次,深空一次,自检两次,让我的旅途温暖而踏实。

我对这种近火刹车充满信心。有上百名家属一起在飞控中心工作,连续跟踪24小时;还有航天科工集团第五研究院的“最强飞控组”。其中,叶培建院士等技术专家顾问16人,各岗位主任5人,飞控人员61人。谢谢!

我终于进入了环绕火星的轨道,这样我就可以好好看看这颗红色的星球了。此时此刻,你和我分享着进入火星轨道的喜悦,我也在和你一起享受着新年的好运。借此机会,向家人和全国人民致以新年的问候!祝大家牛年快乐!

“日月归安?卧星陈安?”中华民族仰望星空留下的种种好奇和疑惑,一直激励着我寻找答案。现在我家最常说的一句话就是“路途遥远,只有奋斗”。

自从环火之后,我的国产飞船正式成为火星的卫星。接下来我会做一次轨道平面调整和两次近火刹车,这样我离火星最近的距离只有265公里。之后我会完成环照任务,准备三个月后登陆巡逻。

我会全力以赴,等待我的好消息。

田文一号探测器

2021年2月

(原标题为《火星上只有一抹中国红——《十年磨一剑》打造中国第一颗人造火星卫星》、《揭开田文1号火星巡回展之谜》、《来自田文1号的家书》)

(本文来自The Paper,更多原创信息请下载“The Paper”APP。)回搜狐多看

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