天問奔火
文章來源：中國航天科技集團有限公司 發(fā)布時間：2021-05-21
5月15日7時18分，在太空飛了295天的天問一號火星探測器順利著陸在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)，實現(xiàn)了中國首次地外行星著陸。
對于天問一號火星探測器飛控試驗隊員來說，成功的消息是最好的獎勵，所有辛苦的付出在這一刻都化為大家激動的歡呼聲。
他們是“天問一號”的地面“舵手”，精準操控著“天問一號”每個飛行動作的完成。
“雖然我們在前期準備很充分，但沒有飛過火星軌道，沒有經(jīng)驗可以借鑒，真是一點都不敢松懈。”飛控試驗隊負責總體工作的董捷說。團隊的主要任務是對火星探測器在飛行和著陸后進行控制。在探測器奔向火星的過程中，飛控試驗隊既是引路人，又是守護者，一直陪伴和守護著探測器，直到它平安順利地降落在火星表面。
奔火前行，絕對不能掉以輕心
在奔火路上，飛控團隊全力保駕護航。
從“天問一號”發(fā)射成功開始，測控的狀態(tài)、接收信號的強弱等，都處于動態(tài)變化中。地面飛控試驗隊要做的就是監(jiān)測探測器上產(chǎn)品狀態(tài)是否符合預期，是否一切正常，每時每刻都不能掉以輕心。在“天問一號”發(fā)射升空后的半年時間里，他們心中只有一個念頭：讓探測器按預定軌道飛行，保證它在正確的時間順利被火星引力場捕獲。
今年2月初，飛控試驗隊便進入了24小時不間斷監(jiān)測的工作模式，所有崗位的隊員每隔12小時進行一次換班。
“由于‘天問一號’上的很多產(chǎn)品都是新研制的，實行的是自主控制和自主管理，所以從設計到實施再到任務執(zhí)行，過程還是比較復雜的。”數(shù)管分系統(tǒng)主任設計師趙蕾坦言，因為地球與探測器的距離很遠，要處置很多新問題。
雖然已經(jīng)到了退休的年齡，但為了此次探火任務，趙蕾帶領年輕的技術(shù)骨干再次沖在飛控一線。通俗來講，數(shù)管分系統(tǒng)就是星載計算機，相當于“天問一號”的“大腦”。“因為探測器離地球很遠，我們發(fā)個指令上去，到探測器接收，再到傳回地面指控中心，最長約40分鐘。”趙蕾說，這對飛行程序及指令計劃的監(jiān)測工作是嚴峻考驗。
從2月3日開始，整個數(shù)管團隊實行倒班制，對接收到的數(shù)據(jù)進行反復校核，迎接近火捕獲的關(guān)鍵時刻。
“此次探火任務意義重大，包括我們數(shù)管分系統(tǒng)在內(nèi)，大家都提前對可能出現(xiàn)的情況進行預案處理，保證不出現(xiàn)任何差錯。”數(shù)管分系統(tǒng)副主任設計師蘭天這樣形容他們的工作狀態(tài)：探測器在哪個時間點要做什么動作，必須倒背如流，快速識別可能威脅到探測任務的任何可疑現(xiàn)象，然后判斷探測器飛行是否正常。
同樣是因為通信時間延長，天問一號著陸巡視器熱控分系統(tǒng)主任設計師向艷超帶領的熱控分系統(tǒng)團隊，要根據(jù)已有的熱控數(shù)據(jù)提前做判斷，保證后續(xù)動作有“據(jù)”可依。
“體溫是判斷人體健康水平的標志之一，同樣，我的工作就像給‘天問一號’量體溫。”向艷超說，熱控系統(tǒng)通過遙測數(shù)據(jù)監(jiān)測，判斷器上溫度環(huán)境是否滿足設計需求，設備能否在當前環(huán)境溫度下正常工作。
在-20℃到55℃范圍內(nèi)，“天問一號”都能正常工作。“天問一號”剛發(fā)射入軌時，距離太陽還比較近，接受到的太陽輻照強度比較大，約1367瓦/平方米。隨著“天問一號”向火星高速奔馳、越飛越遠，到達火星附近的探測器能夠接受到的太陽輻照強度急速下降，僅有500瓦/平方米。
“這時，外熱流能量差異約3倍，給著陸巡視器的熱控帶來了很大難題。為此，熱控分系統(tǒng)團隊通過控制巡視器表面熱控涂層的熱輻射特性，盡量降低在近地段的大外熱流條件下的整器溫度。”向艷超介紹說。
深空探測，每個指令都要準確
“因為距離太遠，‘天問一號’如果出現(xiàn)突發(fā)狀況，要靠地面飛控試驗隊來緊急處置是根本來不及的。所以，我們要求每個分系統(tǒng)確保每一步操作、每一個指令都萬無一失。”董捷說。
每當“天問一號”到變軌或成像等關(guān)鍵動作節(jié)點時，探測器的飛行姿態(tài)變化較大，飛控監(jiān)測強度隨之增大。軌道是航天器在太空中的生命線，而牢牢掌握這條生命線的就是飛控試驗隊的軌道崗。
與監(jiān)視星上狀態(tài)任務不同，“天問一號”飛控的軌道崗要在關(guān)鍵動作時進行具體分析、在變軌時做軌道復核，以此來確認參數(shù)正確性、變軌期間點火的姿態(tài)等。
“‘天問一號’在一系列關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機動時，稍有不慎就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通訊時延問題，我們無法實時獲知探測器的狀態(tài)并對異常情況進行干預。”環(huán)繞器副總設計師朱慶華說道，“可以說，器器分離的過程是對我們控制算法精度、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。
前幾天，“天問一號”任務迎來了極為關(guān)鍵的降軌控制，探測器在無實時監(jiān)控的情況下自主實施降軌、分離和大氣進入。為此，軌道崗人員需要在控前進行大量的軌道分析和應急軌控策略準備工作。
由于軌控時間臨近“五一”假期，不可避免地需要在節(jié)假日加班加點，“天問一號”軌道負責人周文艷心里有點打鼓。她試探地詢問團隊里有誰節(jié)假日愿意參加飛控任務，沒想到大家積極響應并踴躍報名。在團隊成員的齊心協(xié)力下，軌道崗人員為降軌控制開展了詳盡的誤差和故障工況分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，為火星探測任務的軌道設計和保證飛控任務的順利完成保駕護航。
其實，這些隊員不需要長時間待在崗位上，但他們每天都自發(fā)地來到飛控中心，主動做數(shù)據(jù)復核確認工作，制定故障應對策略，確保“天問一號”在不同的故障下都能從容應對。看到這一幕，董捷很感慨。
在“天問一號”著陸關(guān)鍵動作到來前，飛控試驗隊員們密切注視著不斷變化的數(shù)據(jù)和眾多曲線，有些崗位經(jīng)常要在深夜凌晨開展監(jiān)測工作。有隊員說，值班是個考驗，不但需要一直保持充沛的身體狀態(tài)，而且還要有堅強的毅力。著陸巡視器降落到火星表面是個很大考驗，向艷超表示，“天問一號”進入火星大氣層時，熱控系統(tǒng)將面臨外部氣動加熱、內(nèi)部設備全體開機工作的雙重壓力，要應對上千攝氏度的高溫考驗。
盡管團隊對“天問一號”的各個分系統(tǒng)都做了故障預案，但到目前一項故障都沒有發(fā)生，設計的可靠性得到了驗證。
“天問一號”在著陸火星表面前約一個月，飛控中心的集中準備工作已經(jīng)正式開始，由各研制單位技術(shù)骨干組成的“天問一號”飛控試驗隊緊鑼密鼓地進行著飛控實施文件的制定與完善。飛控實施文件是“天問一號”在軌飛行動作的腳本，凝結(jié)了全體人員的智慧，容不得一絲一毫的錯誤。
作為火星環(huán)繞器總體副主任設計師的杜洋，主要負責“天問一號”的飛行程序、飛控實施文件中環(huán)繞器部分的制定。他介紹，“安全著陸火星是‘天問一號’全體試驗隊員最為重要的任務，制定精準嚴密的飛行實施文件是取得成功的必要保障。天問一號環(huán)繞器在本次著陸火星過程中，需要完成兩次變軌、五次姿態(tài)機動、多次通信狀態(tài)切換、與著陸巡視器安全可靠的分離、實時中繼轉(zhuǎn)發(fā)著陸巡視器的數(shù)據(jù)，動作復雜程度不亞于火星捕獲。”
在順利完成發(fā)射、火星捕獲兩個階段的飛控準備及在軌實施任務后，為保證任務成功，必須確保策略合理可行、飛行實施文件絕對精準。“著陸火星飛行實施文件中約3000行操作，是火星捕獲飛行操作數(shù)量的3倍，這對我們提出了極高要求。”杜洋說，在經(jīng)歷了五輪次的審查與完善后，試驗隊才完成最終版本飛控實施文件的確認與會簽。
嚴格把控，以高標準要求自己
火星飛控與以往型號的飛控都不一樣，“一邊飛控、一邊設計、一邊優(yōu)化”是火星飛控最大的特點。在近1年的飛控工作中，隨著著陸區(qū)域成像預探測的開展，設計師對火星的認識也更加充分。“我們在著陸點選擇、進入、下降、著陸各階段的策略和軌道設計上都做了很多優(yōu)化工作，確保任務可以更好地適應最新的認識和需求。”負責總體的繆遠明坦言，這也是整個飛控工作中最重要和最辛苦的工作。
為保證著陸效果，火星環(huán)繞器研制團隊設計的環(huán)火停泊軌道為回歸軌道，即每圈軌道的近火點均位于首選著陸區(qū)的正上方，這種軌道設計可以使探測器每次運行到近火點時均可以對著陸區(qū)進行詳查。
“天問一號”進入下降、著陸各階段開始前的一段時間里，負責總體的幾名人員的工作異常繁重，加班到凌晨三四點是常態(tài)。為保證型號成功，他們克服家里的諸多困難，克服身體健康問題，專心地投入到工作中，摳實施文件的細節(jié)，摳演練的覆蓋性，摳故障預案的可實施性。
隊員譚志云第一次經(jīng)歷這么長時間的飛控任務，從2020年6月初開始集中飛控準備到現(xiàn)今全面完成“天問一號”進入下降、著陸過程。譚志云說，時間并沒有最初想象那么漫長，更多的是充實和忙碌。讓他印象最深的是試驗隊集眾所長，針對各關(guān)鍵動作特點，開展故障冥想和對策分析，一次次豐富和完善了各階段故障預案。譚志云激動地說，這其中讓我更明白了一點，沒有找不到的方法，只有想不到的問題，方法總比問題多，航天人是不怕問題和困難的。
航天工程是極其復雜的系統(tǒng)工程，每一個崗位職責明確落實，每一條指令清晰無誤，是保證整個系統(tǒng)工程有條不紊、有序流轉(zhuǎn)的重中之重，試驗隊在崗人員均以極高的標準要求自己，嚴格把控，認真操作，細致判讀，確保圓滿完成火星探測器飛行控制任務。
巨大電子屏幕上，清晰地顯示著“天問一號”的各類參數(shù)，大屏幕上方，飛行時間等數(shù)據(jù)正不間斷地跳躍變化著。飛控工作的每一次動作調(diào)整都有著工作模式復雜、動作時序性強的特點。在飛控隊員看來，作為一名航天人，能夠為創(chuàng)造新的航天歷史貢獻一份力量無比榮耀。
【責任編輯：家正】
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