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北京飞控中心护航中国“火神”圆梦火星

来源: 科技日报
2021-05-15 18:40 
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科技日报记者 付毅飞 操秀英

5月15日7时18分,“天问一号”携带“祝融号”火星车于火星乌托邦平原南部预选着陆区实现软着陆,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

 

在这个带有美好寓意的“火神”身后,还有一群日夜守护它的人,他们心怀梦想、脚踏实地,用智慧和汗水探索着未知的星球,他们就是北京航天飞行控制中心的火星探测任务型号团队。 

创新求变握紧航天器生命线 

对负责控制探测器奔赴火星的北京航天飞行控制中心来说,火星探测任务比载人航天和月球探测任务的实施周期更长、测控模式更复杂、轨道控制要求更高,而且新的航天器平台和探测领域,也带来了更多新的变化。众多变量意味着众多关键技术亟待攻克。

提到“天问一号”,作为型号团队的总师,崔晓峰感触良多。“从今年2月下旬以来,探测器开始环绕火星飞行,并对预定着陆区进行广泛调查,生成了大量的数据和图像。”看似简单的环火飞行,实际上却是飞控任务繁重的阶段,团队需要为所有探测制定周密的计划,科学安排每一次拍照和数据接收,还要提供精密的轨道控制,以确保探测器按照预期获得探测成果。

其中,轨道又是此次任务里的关键变量。只要航天器在天上,总离不开轨道的牵引,面对飞向火星的轨道,负责轨道方面任务的型号团队副总师张宇明白,这一次又要蹚出一条新路。 

不同于我国此前实施的月球探测任务和载人航天任务,火星距离地球最远达到4亿公里,遥远的距离和复杂多变的宇宙空间环境都给轨道带来了巨大挑战。

“首次探测意味着许多工作需要从头开始,创新必不可少,这既是挑战,又是乐趣所在。”干了16年轨道计算与分析工作的张宇说,“丰富的任务经验积累为‘天问一号’提供了助力,在此基础上我们继续攻克在测轨数据处理及修正方法、时空参考框架、轨道动力学模型等方面的新问题,一直寻求创新,才能让我们的航天器无论飞多远,生命线都能够紧握在我们手里。”

 

在“天问一号”任务中,除了看不见的轨道线,还有一个首次出现的利器——第三代飞控软件。新一代飞控软件是北京中心第一次基于国产化软硬件平台研制的飞控软件平台,是一次性能和架构设计的巨大飞跃,极大提升了飞控任务支持能力。

性能更优、功能更强也意味着系统更复杂、研发难度更大。

事非经历不知其难,首次火星探测任务软件支持团队主任设计师王磊对这句话有切身体会。“从开始论证到正式研发,为了实现飞控软件更新换代,团队的每个人都在和时间赛跑。最后攻坚阶段,大家从早上八点工作到深夜,周一到周六都是如此,周日休息半天,下午还会集中开会梳理问题,但这都不是强制的,而是大家默认形成的规律。” 

精益求精护“天问一号”周全 

发射成功到着陆火星前,“天问一号”在轨飞行近300天,一直保持着健康的工作状态,姿态稳定、能源平衡、工况良好,这与飞控团队的细心呵护紧密相关。 

2018年初,北京航天飞行控制中心在紧密组织我国“嫦娥四号”任务准备工作的同时,成立了首次火星探测任务型号团队。型号团队总体主任设计师金文马至今仍记得,当时自己刚刚执行完嫦娥四号任务,就转身来到火星探测任务中来。他带领团队不分昼夜设计方案,眼看着环绕器的控制方案在自己手里越来越厚,最后仅故障协同程序就多达上千页。 

在方案汇报的时候,中心领导都不禁赞叹:“金文马的飞控总体方案,是我见过最厚的一本!” 

今年2月,团队针对“天问一号”探测器实施了3次近火制动控制和1次远火点平面机动控制,顺利控制探测器进入环火停泊轨道。第一次近火制动正值春节前夕,随后的几次控制也紧密相连,整个2月团队都在24小时值班守护。

节假日的持续在线确保了“天问一号”成功环火,在接下来的环火探测过程中,飞控团队精益求精,追求超越。他们在高精度轨道确定的基础上,进一步优化调整维持策略,成功将轨道维持数量缩短至原来的一半,大大节省了燃料。不仅如此,他们还优化了高分成像姿控参数模型,实现了着陆区成像指向精度跨量级的提升。

所有的付出和努力都是为了探测器现在安全,未来更安全。不仅是当前的轨道控制稳,还要按计划实施高分成像,为的是能够更好地看清未来着陆区的地形地貌,根据地形数据优化选取着陆点。在二十多次成像拍照以外,飞控团队还要定期对探测器进行自检。对要飞行10个月才能着陆火星的“天问一号”来说,漫长的旅程中复杂的宇宙环境都可能对它造成影响,定期确认探测器本身的安全尤为必要。

负责长期管理的型号团队副总师王航介绍说:“火星探测任务的周期长,可以说是航天任务里的‘马拉松选手’。从去年7月发射以来,中心一边管理‘天问一号’,一边还圆满完成了‘嫦娥五号’任务,前不久空间站核心舱也成功飞天,虽然任务多且密集,但只要航天器在我们手里一分钟,我们都会认真守护它60秒。”

“三个第一”确保“祝融号”遥操作顺利 

“祝融号”火星车是“天问一号”任务中备受瞩目的角色,对驾驶它的遥操作团队来说,也是核心关键。型号团队副总师于天一向记者介绍说:“我们团队成员都是经过严格岗前训练和考核的,其中不乏具有丰富遥操作经验的‘老司机’,许多人都有过操控玉兔一号、玉兔二号月球车的经历。”即便如此,面对火星车这样全新的航天器,大家仍需攻克众多难关。 

不同于月球车着陆月面时紧张的月面初始化等实时操作,火星车因为地火超远距离的时延,无法进行实时操控,需要提前上注指令,自主实施火面初始化工作。对遥操作团队来说,必须充分分析确认复杂多变的火面环境,及时调整指令策略,并保证在紧急情况下能够在短暂的测控弧段内,及时处置故障,准确地将指令注入。

第一时间发现问题,第一时间报告问题,第一时间处置问题,“三个第一”不是一句口号,而是“90后”总体计划岗位主管设计师润冬的工作现状。

“我们总体有‘三小强’:润冬、卢皓、程艳合,发射前最紧张的任务准备阶段,每天的睡眠时间不足4小时,看着心疼,工作安排上想多给他们点休息时间,但是没用,工作抢着干、赶也赶不走,作风过硬、能力过硬、素质过硬”型号团队副总师王成介绍说。 

正是有这样一群和他们一样,想办法比提困难多,干事业比想自己多,勇担当比推诿多的航天人在,“天问一号”才能在火星探测的竞争中弯道超车,中国“火神”才能够安稳着陆,让成功的喜讯才能够一次次传遍华夏大地。(图片由北京航天飞行控制中心提供)

(付毅飞 操秀英)

【责任编辑:张瑨瑄】
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