兩器分離如何完成?航天八院專家解密“完美落火”背後風險點
在太空中,兩個航天器的對接被形像地稱為“太空之吻”,近年來,從神舟八號到神舟十一號、從天宮到天舟,我國航天器在太空上演過一次次令人難忘的交會對接。兩器分離的過程可謂“步步驚心” 本文圖片均由中國航天科技集團供圖而在5月15日這次具有里程碑意義的“落火”大戲中,令人難忘的卻是“兩器分離”。
它的成功上演,確保了著陸巡視器得以完成後續一連串完美的落軌、下降、懸停、避障、落地動作,在火星表面第一次留下中國印跡。
這次在火星停泊軌道上的“兩器分離”是如何完成的?風險點在哪裡?降落中又經歷了哪些驚心動魄的過程?上海航天八院的專家透露了個中細節。
分離前,“天問一號”火星探測器在周期為兩個火星日的停泊軌道上運行,在到達近火點前約6小時,八院抓總研製的環繞器4台120N發動機點火約兩分多鐘,實施降軌機動,進入火星大氣進入軌道,之後轉為兩器(環繞器、著陸巡視器)分離姿態,並執行兩器分離動作。
據八院專家介紹,兩器分離經過了“降軌、分離、升軌”三步曲,可謂步步驚心。
首先,“天問一號”要實施降軌機動,環繞器上的發動機點火,降低探測器近火點高度。然後,“天問一號”在距離火星表面約125公里前,實現環繞器和著陸巡視器的分離。兩器到達安全距離後,環繞器點火提升軌道至中繼軌道,環繞器升軌的同時,實時拍攝監測著陸巡視器的下降過程。接著,著陸巡視器調整姿態,防熱大底朝前,沿著進入火星大氣的軌道滑行,瞄准進入火星大氣層的一個窄窄的進入走廊,著陸巡視器與火星大氣層形成的這一夾角非常關鍵,角度太大會導致與大氣摩擦溫度升高過於劇烈,角度太小又實現不了進入火星大氣層的目標。
專家指出,如果降軌偏差過大,會影響著陸巡視器進入火星大氣時進入角、經緯度等參數,最終影響著陸巡視器進入火星大氣後的著陸過程,遇到此情況,地面可以終止分離流程;分離有問題,探測器能夠自主判斷取消分離,繼續攜帶著陸巡視器飛行,等待後續著陸機會;分離成功,但環繞器升軌近火點高度不夠,會有進入火星大氣墜毀的風險,這些都是兩器分離及著陸過程的風險點所在。
著陸巡視器和環繞器分離後,繼續沿火星大氣進入軌道飛行,分離後再經過3個多小時進入火星大氣,依靠氣動外形減速、降落傘減速、發動機減速、懸停避障,最終安全著陸在火星表面。環繞器則在分離半小時後進行升軌機動,返回停泊軌道。
進入火星大氣時,著陸巡視器的速度可達每秒4.8千米,相當於子彈出膛速度的6倍
在著陸巡視器距離火星10公里左右時,打開攜帶的超音速降落傘據專家介紹,著陸巡視器進入氣動減速段是最主要的減速階段。進入火星大氣時,著陸巡視器的速度可達每秒4.8千米,相當於子彈出膛速度的6倍。著陸巡視器進入火星大氣後,要進行升力體制導和展開配平翼,以便更好地利用火星大氣的阻力,使陸巡視器防熱大底和火星大氣的不斷摩擦來減速。經5分鐘的減速之後,著陸巡視器的速度下降到每秒460米,速度降低將近90%。
當速度降至100米/秒時,降落傘就基本完成了使命,此後著陸巡視器把大底和背罩拋掉,露出著陸平台和火星車在著陸巡視器距離火星10公里左右時,打開攜帶的超音速降落傘。在降落傘的幫助下,著陸巡視器的速度下降到每秒100米以下。在這1分多鐘的時間裡,火星大氣層中風的速度和方向,對落“火”的精度影響很大,有些時候甚至影響落“火”安全。
在距離火星高度100米的時候,借助降落髮動機進行懸停當速度降至100米/秒時,降落傘就基本完成了使命,此後著陸巡視器把大底和背罩拋掉,露出著陸平台和火星車。平台上的7500牛變推力降落髮動機開始點火工作,進一步減小著陸巡視器的下降速度,它用80秒把速度減小到3.6米/秒,同時保持姿態穩定,對地雷達隨機開機,並展開著陸緩衝機構的四條著陸腿。
在距離火星高度100米的時候,借助降落髮動機進行懸停,同時對火面進行成像,然後挑選相對平坦的區域進行降落。
在最後的落“火”瞬間,利用四條著陸腿裡的緩衝吸能材料,把著陸時的衝擊力緩沖掉,確保著陸巡視器平穩著陸在火星表面。在最後的落“火”瞬間,利用四條著陸腿裡的緩衝吸能材料,把著陸時的衝擊力緩沖掉,確保著陸巡視器平穩著陸在火星表面。
在整個落“火”過程中,由於地火距離非常遙遠,使得地火通信延時單程超過17分鐘。在落“火”過程中著陸巡視器和地面“指揮部”處於“失聯”狀態,它需按照事先制定的預案,自主完成進入、下降和著陸的這一系列極為複雜的動作,不能有半點失誤,因為這個過程無法依靠地面進行實時的控制和乾預。
蝴蝶狀的火星車——“祝融號”落“火”短短的9分多鐘,著實讓人驚心動魄,後續,隨著火星車展開深藍色的翅膀,緩緩駛下著陸平台,蝴蝶狀的火星車——“祝融號”將帶著國人的期望與寄託,在火星這顆紅色的星球上展開科學探索。