“天問一號(hào)”火星探測(cè)器關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫澤洲， 饒 煒， 賈 陽， 王 闖， 董 捷， 陳百超

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094

0 引 言

2020年7月23日，“天問一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，2021年2月10日，成功捕獲火星，2021年5月15日，著陸巡視器成功實(shí)現(xiàn)火星進(jìn)入、下降與著陸(EDL)，安全著陸到烏托邦平原(Utopia planitia)南端的預(yù)定著陸點(diǎn)，2021年5月22日，“祝融號(hào)”成功駛離到火星表面并開始開展火面巡視探測(cè)，使得我國成為世界上第二個(gè)成功實(shí)現(xiàn)火星表面巡視探測(cè)的國家.

首次火星探測(cè)任務(wù)，正式邁出我國行星探測(cè)步伐，實(shí)現(xiàn)了我國探測(cè)器首次登陸火星，在國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”的三步跨越，開拓了中國人探索認(rèn)知宇宙奧秘的新局面，創(chuàng)造了中國人和平利用太空的新輝煌.

“天問一號(hào)”任務(wù)通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，在火星表面開展區(qū)域巡視探測(cè).工程以環(huán)繞器環(huán)繞火星、火星車著陸火星表面，并開展科學(xué)探測(cè)為成功標(biāo)志.

從工程實(shí)施、技術(shù)進(jìn)步的角度看，“天問一號(hào)”任務(wù)具有重要意義，任務(wù)的工程目標(biāo)可概括為[1]：

1)突破火星制動(dòng)捕獲EDL、長(zhǎng)期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，使我國深空探測(cè)能力和水平進(jìn)入世界航天第一梯隊(duì)，實(shí)現(xiàn)在深空探測(cè)領(lǐng)域的跨越.

2)構(gòu)建獨(dú)立自主的深空探測(cè)基礎(chǔ)工程體系，包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行任務(wù)實(shí)施、科學(xué)研究、工程管理以及人才隊(duì)伍，推動(dòng)我國深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展.

“天問一號(hào)”任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是：通過環(huán)繞探測(cè)，開展火星全球性和綜合性探測(cè)；通過巡視探測(cè)，開展火星表面重點(diǎn)地區(qū)高精度、高分辨的精細(xì)探測(cè).具體科學(xué)目標(biāo)主要包括以下5個(gè)方面[1]：

1)研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征.探測(cè)火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究.

2)研究火星表面土壤特征與水冰分布.探測(cè)火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究.

3)研究火星表面物質(zhì)組成.識(shí)別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析.

4)研究火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征.探測(cè)火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場(chǎng)，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究.

5)研究火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu).探測(cè)火星磁場(chǎng)特性.開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場(chǎng)研究.

1 “天問一號(hào)”探測(cè)器任務(wù)特點(diǎn)

“天問一號(hào)”探測(cè)器的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)火星的環(huán)繞、火面軟著陸和巡視探測(cè)，相對(duì)以往月球探測(cè)任務(wù)有很大不同.主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2-5]：

1)距離更加遙遠(yuǎn)

火星距離地球最遠(yuǎn)4×108km、最近5.5×107km，而月球距離地球僅為4×105km.距離遙遠(yuǎn)帶來通信路徑損耗巨大，與地月通信路徑損耗相比，地火通信路徑最大損耗增加約60 dB，導(dǎo)致天線難以全空間覆蓋、傳輸實(shí)時(shí)性差及有效數(shù)據(jù)傳輸困難.

2)自主要求更高

火星至地球單程時(shí)延最大約22 min，月球?yàn)? s，長(zhǎng)的時(shí)間延遲，極大增加了深空測(cè)控通信實(shí)現(xiàn)難度.對(duì)于月球距離，勉強(qiáng)可以采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)遙控方式控制航天器平臺(tái)和有效載荷工作，對(duì)于更遙遠(yuǎn)的火星，只能依賴于探測(cè)器自主控制能力.

3)著陸過程風(fēng)險(xiǎn)更大

月球著陸任務(wù)要求在12 min內(nèi)減速1.7 km/s，火星著陸任務(wù)要求在約9 min內(nèi)減速4.8 km/s，火星探測(cè)減速總量更多、要求更快.月球著陸過程采用發(fā)動(dòng)機(jī)和著陸緩沖減速，火星著陸需要采用氣動(dòng)外形、減速傘、發(fā)動(dòng)機(jī)及著陸緩沖減速，環(huán)節(jié)更多.而火星大氣不確定度非常大，大氣密度和火星風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)，隨季節(jié)、地理位置及進(jìn)入地方時(shí)不同而變化.諸多因素耦合在一起，極大影響EDL過程設(shè)計(jì)與分析.

4)火星表面能源更緊張

在火星軌道附近，太陽輻照強(qiáng)度最大值為715 W/m2，最小值為491 W/m2，平均值約為地球附近的43%，同時(shí)火星存在大氣衰減，到達(dá)火星表面的太陽輻射強(qiáng)度僅為0.2個(gè)太陽常數(shù).極大增加了探測(cè)器熱設(shè)計(jì)、能源管理的挑戰(zhàn)和難度.

2 “天問一號(hào)”探測(cè)器任務(wù)概述

2.1 系統(tǒng)組成

“天問一號(hào)”探測(cè)器系統(tǒng)由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成.

圖1 探測(cè)器組成示意圖

環(huán)繞器由有效載荷、結(jié)構(gòu)、測(cè)控?cái)?shù)傳、熱控、綜合電子、總體電路、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)、定向天線、太陽翼、電源、推進(jìn)和工程測(cè)量等12個(gè)分系統(tǒng)組成.

著陸巡視器由有效載荷、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、GNC、推進(jìn)、熱控、數(shù)據(jù)管理、測(cè)控?cái)?shù)傳、天線、供配電、傘系減速、著陸緩沖、移動(dòng)和工程測(cè)量等15個(gè)分系統(tǒng)組成.

2.2 基本構(gòu)型

“天問一號(hào)”探測(cè)器構(gòu)型為環(huán)繞器-著陸巡視器串聯(lián)構(gòu)型設(shè)計(jì)，環(huán)繞器與運(yùn)載火箭對(duì)接，著陸巡視器安裝于環(huán)繞器頂部.環(huán)繞器采用“中心承力筒+外部六面柱體”整體構(gòu)型，配置2.5 m口徑高增益天線.著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成，進(jìn)入艙由大底、背罩和著陸平臺(tái)組成.探測(cè)器發(fā)射入軌后依次展開環(huán)繞器太陽翼、高增益天線等.

圖2 探測(cè)器各飛行狀態(tài)下構(gòu)型示意圖

2.3 飛行任務(wù)過程

“天問一號(hào)”探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭直接發(fā)射至近地點(diǎn)約200 km的地火轉(zhuǎn)移軌道；探測(cè)器與運(yùn)載火箭分離后，在地火轉(zhuǎn)移軌道上飛行約7個(gè)月，期間經(jīng)過4次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)，在近火點(diǎn)處實(shí)施第1次近火制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火星捕獲，隨后經(jīng)過1次遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)和2次近火點(diǎn)制動(dòng)，進(jìn)入周期2天的環(huán)火橢圓停泊軌道；停泊軌道運(yùn)行約3個(gè)月后，擇機(jī)實(shí)施兩器分離和火星進(jìn)入；著陸巡視器采用“彈道-升力式”進(jìn)入，通過氣動(dòng)外形、降落傘、發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)減速和著陸緩沖機(jī)構(gòu)緩沖，軟著陸于火星表面；環(huán)繞器自主升軌機(jī)動(dòng)，將軌道拉起并返回到停泊軌道，在下一個(gè)近火點(diǎn)實(shí)施第4次近火制動(dòng)進(jìn)入周期8.2 h的天回歸中繼通信軌道；90天的火面巡視探測(cè)任務(wù)結(jié)束后，環(huán)繞器實(shí)施第5次近火制動(dòng)，進(jìn)入周期7.8 h的橢圓遙感軌道；環(huán)繞探測(cè)約一個(gè)火星年，利用火星重力場(chǎng)特性實(shí)現(xiàn)近火點(diǎn)漂移，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星表面覆蓋探測(cè). “天問一號(hào)”探測(cè)器任務(wù)實(shí)施階段的飛行過程如圖3所示.

圖3 “天問一號(hào)”探測(cè)器飛行過程

3 “天問一號(hào)”探測(cè)器系統(tǒng)關(guān)鍵任務(wù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)“天問一號(hào)”火星環(huán)繞、軟著陸及巡視探測(cè)任務(wù)，整個(gè)任務(wù)過程可分為軌道、遠(yuǎn)距離深空通信、近火捕獲、EDL、火星車駛離及火面巡視探測(cè)等5個(gè)關(guān)鍵任務(wù).

3.1 軌道設(shè)計(jì)

“天問一號(hào)”探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)包含地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、中繼通信、遙感使命等5個(gè)階段.

3.1.1 地火轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)

綜合考慮運(yùn)載能力、探測(cè)器質(zhì)量約束以及轉(zhuǎn)移時(shí)間，選擇短轉(zhuǎn)移方案.在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用深空機(jī)動(dòng)，改變繞日飛行軌道的平面和大小，減小火星捕獲所需速度增量.最終地火轉(zhuǎn)移軌道采用“短轉(zhuǎn)移+深空機(jī)動(dòng)”方案.

3.1.2 火星捕獲軌道設(shè)計(jì)

捕獲軌道傾角設(shè)計(jì)取決于火星進(jìn)入點(diǎn)緯度，由停泊軌道時(shí)間倒推至火星捕獲時(shí)刻，得到所需的火星捕獲軌道傾角.

近火點(diǎn)高度設(shè)計(jì)：綜合考慮捕獲速度增量、火星大氣、最后一次中途修正、近火制動(dòng)有限推力和火星非球形攝動(dòng)等影響，捕獲軌道近火點(diǎn)高度選取為400 km.

軌道周期設(shè)計(jì)：綜合考慮軌道的穩(wěn)定性、遠(yuǎn)火點(diǎn)平面制動(dòng)的速度增量、遠(yuǎn)火點(diǎn)控制誤差對(duì)近火點(diǎn)高度的影響，軌道周期選擇為250.5 h(約10個(gè)火星日).

遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)目標(biāo)傾角設(shè)計(jì)：綜合考慮遙感使命軌道近火點(diǎn)光照條件和火星全球覆蓋需求，探測(cè)器遙感使命軌道傾角選擇為86.9°.

3.1.3 火星停泊軌道設(shè)計(jì)

綜合停泊軌道兩器分離前后降軌、升軌推進(jìn)劑需求，以及火星攝動(dòng)條件對(duì)軌道影響，選擇2天周期的停泊軌道.為實(shí)現(xiàn)著陸區(qū)預(yù)探測(cè)要求，停泊軌道近火弧段設(shè)置于預(yù)選著陸區(qū)上空.

綜合兩器分離速度增量(降軌、拉起)和保證進(jìn)入點(diǎn)初始精度和遙感使命軌道傾角等因素，標(biāo)稱停泊軌道設(shè)計(jì)為近火點(diǎn)高度265 km，周期為49.2 h(2個(gè)火星日)的極軌橢圓軌道.

探測(cè)器在停泊軌道上運(yùn)行約3個(gè)月，完成著陸區(qū)預(yù)探測(cè)、落點(diǎn)經(jīng)度微調(diào)等著陸前準(zhǔn)備工作.

3.1.4 中繼通信軌道設(shè)計(jì)

環(huán)繞器在與著陸巡視器分離后，需調(diào)整進(jìn)入中繼通信軌道，實(shí)施為期約3個(gè)月的中繼通信任務(wù)，并兼顧科學(xué)探測(cè).為保證穩(wěn)定的中繼通信弧段，中繼軌道設(shè)計(jì)成天回歸軌道，考慮到停泊軌道和遙感軌道的銜接，探測(cè)器標(biāo)稱中繼軌道選擇1天運(yùn)行3圈的回歸軌道，軌道周期約8.2 h.

3.1.5 遙感使命軌道設(shè)計(jì)

環(huán)繞器完成3個(gè)月的中繼任務(wù)之后，進(jìn)入遙感使命軌道.環(huán)繞器遙感探測(cè)階段，受推進(jìn)劑以及相機(jī)成像幅寬約束，為了保證近火點(diǎn)成像時(shí)太陽高度角不小于10°，以及一個(gè)火星年內(nèi)完成全火覆蓋的任務(wù)要求，利用了火星大橢圓軌道近火點(diǎn)漂移特性，遙感使命軌道設(shè)計(jì)成近火點(diǎn)高度265 km、回歸周期20個(gè)火星日，一個(gè)回歸周期運(yùn)行圈數(shù)為63圈，一個(gè)火星年隨太陽漂移一圈的環(huán)火極軌道.

3.2 遠(yuǎn)距離深空通信設(shè)計(jì)

探測(cè)器系統(tǒng)的通信鏈路設(shè)計(jì)如圖4所示，其中：

圖4 探測(cè)器系統(tǒng)通信鏈路

1)探測(cè)器對(duì)地面站采用X頻段通信，兩器均具有X頻段上下行鏈路；

2)環(huán)繞器和著陸巡視器之間配備有UHF頻段雙向器間通信鏈路；

3)著陸巡視器復(fù)用X頻段下行鏈路，對(duì)環(huán)繞器進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸.

4)著陸巡視器測(cè)控包括器間通信和火星車對(duì)地直接測(cè)控兩部分.

3.2.1 探測(cè)器器地測(cè)控體制

1)環(huán)繞器

調(diào)制方式：統(tǒng)一載波X頻段測(cè)控體制(測(cè)控)，抑制載波調(diào)制方式(數(shù)傳).

測(cè)距方式：側(cè)音測(cè)距.

測(cè)角方式：DOR差分單向側(cè)音方式進(jìn)行VLBI觀測(cè).

測(cè)速方式：雙向多普勒測(cè)速，同時(shí)驗(yàn)證單向多普勒測(cè)速技術(shù).

信道編碼：“R-S+卷積”級(jí)聯(lián)碼和“LDPC”編碼.

2)著陸巡視器

調(diào)制方式：上行統(tǒng)一載波調(diào)制方式，下行抑制載波調(diào)制方式.

信道編碼：“R-S+卷積”級(jí)聯(lián)碼和“LDPC”編碼.

3.2.2 器間測(cè)控體制

采用UHF頻段作為環(huán)繞器與著陸巡視器的雙向通信頻段.同時(shí)，為了提高中繼通信能力，環(huán)繞器配置X頻段接收機(jī)，利用著陸巡視器對(duì)地的X頻段通信鏈路，具備將盡可能多的探測(cè)數(shù)據(jù)回傳地球的能力.根據(jù)軌道特點(diǎn)，近火主用UHF頻段通信，遠(yuǎn)火主用X頻段通信.

調(diào)制方式：器間UHF頻段通信采用Bi-phase-L分相碼PCM信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制，器間X頻段通信采用BPSK體制.

信道編碼方式：UHF頻段器間通信采用卷積(7，1/2)碼，X頻段器間通信采用“R-S+卷積”級(jí)聯(lián)碼.

3.3 火星捕獲過程設(shè)計(jì)

整個(gè)火星捕獲過程控制，由探測(cè)器全自主完成.火星制動(dòng)捕獲采用“勻速率變化”控制策略，制動(dòng)捕獲關(guān)機(jī)策略采用雙關(guān)機(jī)策略，利用開機(jī)時(shí)長(zhǎng)和速度增量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)機(jī).即，以加表積分速度增量控制為主要條件，加表積分量達(dá)到標(biāo)稱速度增量時(shí)關(guān)機(jī)；同時(shí)，設(shè)計(jì)關(guān)機(jī)時(shí)間區(qū)間[T1，T2]約束，制動(dòng)時(shí)間超出區(qū)間范圍，加表積分即使不到標(biāo)稱速度增量，亦關(guān)機(jī).T1時(shí)間為制動(dòng)捕獲最短點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)間的確定主要考慮因素：兩臺(tái)加表故障情況下，標(biāo)稱推力作用下，能夠形成標(biāo)稱軌道點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng).T2時(shí)間為制動(dòng)捕獲最長(zhǎng)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)間確定主要考慮因素：兩臺(tái)加表故障情況下，標(biāo)稱推力作用下，形成停泊軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)高度的點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng).

火星捕獲制動(dòng)流程如圖5所示.

圖5 火星捕獲制動(dòng)流程

3.4 EDL過程設(shè)計(jì)

火星EDL過程采用“氣動(dòng)外形+傘系減速+動(dòng)力減速+著陸緩沖”的減速方式.

1)進(jìn)入方式：彈道-升力式；

2)氣動(dòng)外形：半錐角為70°的球錐形大底+球錐形背罩；

3)傘系減速：盤縫帶傘、一級(jí)減速；

4)動(dòng)力減速：反推發(fā)動(dòng)機(jī)、懸停避障；

5)著陸緩沖：著陸緩沖機(jī)構(gòu).

EDL過程時(shí)序圖見圖6.

圖6 EDL過程時(shí)序圖

3.4.1 過渡段

該段主要任務(wù)是：

1)兩器分離后自主啟控建立并保持中繼通信姿態(tài).

2)大氣進(jìn)入前建立大氣進(jìn)入姿態(tài).

此段的結(jié)束標(biāo)志是距參考火星表面高度125 km(國際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)定義的火星橢球基準(zhǔn)).

此高度以上大氣阻力和氣動(dòng)干擾力矩影響可忽略.該階段主要干擾力為姿控推力器工作時(shí)的干擾力和力矩.

3.4.2 氣動(dòng)減速段

根據(jù)火星大氣密度、制導(dǎo)控制策略不同具體分為兩個(gè)階段：

1)攻角配平段

距火星表面高度從約125 km(IAU橢球基準(zhǔn))到約60 km(IAU橢球基準(zhǔn)).

主要任務(wù)：

保持進(jìn)入姿態(tài)，根據(jù)配平攻角、側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角等要求，進(jìn)行三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制；

UHF器間通信返向鏈路工作，傳回EDL過程中器上關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù).

2) 升力控制段

距火星表面高度從約60 km(IAU橢球基準(zhǔn))到約10 km(IAU橢球基準(zhǔn))，該段主要任務(wù)如下：

采用“彈道-升力控制”進(jìn)行氣動(dòng)減速；

在導(dǎo)航馬赫數(shù)為2.8時(shí)執(zhí)行配平翼展開動(dòng)作，使進(jìn)入艙標(biāo)稱配平攻角調(diào)整至0°，此后進(jìn)入艙GNC分系統(tǒng)進(jìn)行角速度阻尼控制；

在導(dǎo)航馬赫數(shù)為1.8執(zhí)行開傘動(dòng)作；

UHF器間通信返向鏈路工作，傳回EDL過程中的器上關(guān)鍵遙測(cè)數(shù)據(jù).

3.4.3 傘系減速段

距火星表面高度從約10 km(IAU橢球基準(zhǔn))到約1～2 km(距當(dāng)?shù)貙?shí)際高度)，利用降落傘進(jìn)行減速，期間主要任務(wù)如下：

在彈傘指令發(fā)出后(標(biāo)稱馬赫數(shù)1.8)，降落傘彈射、開傘；

實(shí)施大底分離和著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開動(dòng)作；

綜合高度和速度測(cè)量信息(高度1 km～2 km和速度95 m/s)，實(shí)施平臺(tái)與艙傘組合體分離；

在此階段，器上按飛行時(shí)序，自主執(zhí)行進(jìn)入艙和火星車UHF發(fā)射機(jī)切換和工程測(cè)量設(shè)備開機(jī)和采集工作.

3.4.4 動(dòng)力下降段

距火星表面高度從1～2 km至火面，利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，期間主要任務(wù)如下：

發(fā)出背罩拋除指令后，考慮分離安全性，延時(shí)啟動(dòng)自主動(dòng)力下降制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制程序，建立著陸巡視器動(dòng)力下降初始姿態(tài)，自主打開所有著陸導(dǎo)航敏感器至正常測(cè)量工作模式；

完成背罩規(guī)避機(jī)動(dòng)，防止傘罩組合體與著陸巡視器發(fā)生碰撞；

通過粗避障、懸停避障，完成安全著陸區(qū)域自主優(yōu)選并落入優(yōu)選安全區(qū)；

在接觸火星表面時(shí)，控制姿態(tài)角、姿態(tài)角速度、垂向和水平速度滿足要求；

動(dòng)力下降過程中利用光學(xué)成像敏感器連續(xù)對(duì)火星表面成像并存儲(chǔ)，直至著陸至火星表面.

相比嫦娥系列月球軟著陸動(dòng)力下降過程，火星動(dòng)力下降過程初始狀態(tài)(軌道、姿態(tài))存在較大不確定性、水平機(jī)動(dòng)能力有限等約束，還存在風(fēng)速、地貌等不確知影響，主要任務(wù)除了減速和避障外，還要實(shí)現(xiàn)水平機(jī)動(dòng)規(guī)避背罩.

3.4.5 著陸緩沖段

完成著陸觸火后發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)控制，著陸緩沖機(jī)構(gòu)完成緩沖，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著陸.

不同于嫦娥三號(hào)著陸器和嫦娥五號(hào)著陸上升組合體的配置，著陸巡視器限于構(gòu)型布局及安裝等約束，無法配置伽瑪關(guān)機(jī)敏感器，同時(shí)鑒于接觸火面時(shí)測(cè)距測(cè)速敏感器測(cè)量精度低，最終確定采用觸火關(guān)機(jī)策略.

3.5 火星車駛離

火星車?yán)?5個(gè)火星日時(shí)間完成駛離及可視化任務(wù)，釋放分離段各火星日工作項(xiàng)目如下：

第1個(gè)火星日：完成火星車初始狀態(tài)建立，包括機(jī)構(gòu)解鎖展開和對(duì)地通信等，進(jìn)入火夜，火夜進(jìn)行1 h的對(duì)環(huán)繞器X頻段器間通信.

第2個(gè)火星日：導(dǎo)航地形相機(jī)、避障相機(jī)成像，進(jìn)行火面全局感知.

第3個(gè)火星日：載荷開機(jī)自檢.

第4～5個(gè)火星日：下傳全局感知圖像、載荷自檢數(shù)據(jù)、延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù).

第6個(gè)火星日：短距離行走進(jìn)行移動(dòng)自檢，下傳延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù).

第7個(gè)火星日：下傳EDL過程延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù).

第8個(gè)火星日：火星車駛離著陸平臺(tái)，并下傳駛離相關(guān)數(shù)據(jù).

第9個(gè)火星日：局部感知，用于地面規(guī)劃移動(dòng)至最佳國旗成像點(diǎn)的路徑.

第10個(gè)火星日：下傳部分EDL過程工程測(cè)量數(shù)據(jù).

第11個(gè)火星日：火星車移動(dòng)到最佳國旗成像點(diǎn)，并下傳部分EDL過程進(jìn)入艙GNC圖像.

第12個(gè)火星日：局部感知，用于地面規(guī)劃移動(dòng)至最佳WIFI分離拍攝探頭釋放點(diǎn)的路徑.

第13個(gè)火星日：對(duì)進(jìn)入艙器表國旗進(jìn)行成像.

第14個(gè)火星日：火星車移動(dòng)至最佳WIFI分離拍攝探頭釋放點(diǎn).

第15個(gè)火星日：火星車釋放WIFI分離拍攝探頭，WIFI分離拍攝探頭對(duì)火星車和進(jìn)入艙國旗成像并下傳.駛離過程見圖7.

圖7 火星車駛離過程構(gòu)型示意圖

3.6 火面工作

火星車完成釋放分離段工作任務(wù)后，進(jìn)入火面巡視探測(cè)工作階段.

1)火星車壽命初期(著陸第16個(gè)火星日～第45個(gè)火星日)，以3個(gè)火星日作為一個(gè)任務(wù)周期：第1個(gè)火星日主要進(jìn)行環(huán)境感知，火夜進(jìn)行1 h對(duì)環(huán)繞器通信，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)下傳；第2個(gè)火星日主要進(jìn)行科學(xué)探測(cè)；第3個(gè)火星日進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)下傳以及火面移動(dòng).

2)火星車壽命末期(著陸第46個(gè)火星日～第90個(gè)火星日)，隨著發(fā)電能力的降低，根據(jù)實(shí)際功率平衡情況，可選擇將任務(wù)周期從3個(gè)火星日逐漸增加到6個(gè)火星日，任務(wù)周期內(nèi)總的工作內(nèi)容不變，增加3個(gè)火星日的時(shí)間用于待機(jī)充電.火面工作段的構(gòu)型見圖8.

圖8 火面工作段構(gòu)型示意圖

4 “天問一號(hào)”探測(cè)器取得的技術(shù)創(chuàng)新

“天問一號(hào)”探測(cè)器是一個(gè)全新的航天器，新技術(shù)和新產(chǎn)品的比例高達(dá)80%.其研制的總體思路是：瞄準(zhǔn)當(dāng)今世界先進(jìn)水平，高起點(diǎn)地確定探測(cè)器的功能與性能指標(biāo)，通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視，對(duì)火星開展全球立體探測(cè)和局部詳細(xì)探測(cè)；針對(duì)新領(lǐng)域中所遇到的新問題，通過大量的設(shè)計(jì)分析、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面驗(yàn)證試驗(yàn)，突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長(zhǎng)期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，在航天器總體設(shè)計(jì)、制導(dǎo)導(dǎo)航和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面取得一系列自主創(chuàng)新的科研成果.

4.1 國際上首次通過一次任務(wù)完成火星環(huán)繞、著陸和巡視

在國際上首次通過一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)了火星“環(huán)繞、著陸、巡視”的三步跨越.顯著增強(qiáng)了多目標(biāo)復(fù)雜航天任務(wù)總體設(shè)計(jì)能力，面對(duì)火星環(huán)繞、著陸、巡視、探測(cè)、中繼等任務(wù)耦合程度深、制約因素繁、單點(diǎn)環(huán)節(jié)多的難題，帶動(dòng)了總體設(shè)計(jì)能力和水平的巨大跨越，為后續(xù)多目標(biāo)行星探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)創(chuàng)立了新范式.顯著提升了行星環(huán)境建模和模擬能力，建立了一套行星環(huán)境不確知情況下，可靠開展環(huán)境建模的方法，以及在地面開展行星環(huán)境模擬試驗(yàn)的方法，建設(shè)、改造了一批試驗(yàn)設(shè)施，為后續(xù)行星探測(cè)創(chuàng)立了新條件.

4.2 首次實(shí)現(xiàn)行星際飛行

突破了火星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)繞、落、巡的要求，基于運(yùn)載能力、測(cè)控能力等工程約束，系統(tǒng)開展了地火轉(zhuǎn)移軌道、火星捕獲軌道、調(diào)相軌道、停泊軌道、下降進(jìn)入軌道、中繼軌道、遙感探測(cè)軌道的規(guī)劃和精確設(shè)計(jì)，建立了一套完整軌道分析和優(yōu)化算法.

突破了行星際飛行高精度高可靠軌道控制及復(fù)雜環(huán)境下環(huán)繞器多模式自主協(xié)同管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器在軌安全可靠飛行.

4.3 首次實(shí)現(xiàn)地外行星表面著陸

構(gòu)建了首次火星“進(jìn)入、下降與著陸”任務(wù)設(shè)計(jì)匹配、協(xié)調(diào)的指標(biāo)體系，全面掌握了EDL過程相關(guān)分系統(tǒng)的性能邊界和設(shè)計(jì)裕度.

全新設(shè)計(jì)了適用于火星稀薄大氣減速的氣動(dòng)外形.突破了稀薄大氣、二氧化碳介質(zhì)下的高減速氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù).

構(gòu)建了首次火星進(jìn)入與著陸任務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境模型和擾動(dòng)模型，形成了一套適用于火星EDL任務(wù)的火星空間環(huán)境和表面環(huán)境規(guī)范.

提出了滿足“一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)繞、落、巡”的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)方案，在兼顧了火星車中繼要求與遙感全火覆蓋要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了EDL最優(yōu)進(jìn)入窗口和最優(yōu)進(jìn)入角設(shè)計(jì).

4.4 首次實(shí)現(xiàn)地外行星表面巡視

突破了火面松軟、崎嶇地形下高效、安全巡視技術(shù).國際首次在星球探測(cè)器上采用主動(dòng)懸架系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)尺蠖運(yùn)動(dòng)、抬輪、車體抬升等多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，相對(duì)傳統(tǒng)被動(dòng)懸架，爬坡及越障能力得到顯著提升.

突破了火面弱光照、沙塵條件下能源安全技術(shù)，首次在星球探測(cè)器上使用自主休眠、喚醒技術(shù)，火星車自主根據(jù)沙塵程度，進(jìn)入最小工作或斷電休眠狀態(tài)，沙塵過后自主喚醒，解決火星車遭遇沙塵天氣后的能源安全問題.

突破了地火通信受限情況下的高效探測(cè)技術(shù).設(shè)計(jì)了基于簡(jiǎn)單指令的高效探測(cè)模式，解決了地火通信碼速率受限情況下的多載荷多模式高效探測(cè)的難題.設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)移動(dòng)與定點(diǎn)探測(cè)相結(jié)合的高效探測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了一次規(guī)劃完成多點(diǎn)探測(cè)的目標(biāo)，解決了地火交互頻繁導(dǎo)致探測(cè)效率低的問題.

突破了地火通信受限情況下的自主生存技術(shù).設(shè)計(jì)了火星車智能運(yùn)行體系，解決了火星車在日凌等地火無通信情況下的長(zhǎng)期生存問題.

5 結(jié)束語

“天問一號(hào)”探測(cè)器圓滿完成了我國首次火星探測(cè)的任務(wù)目標(biāo)，突破了大量關(guān)鍵技術(shù)，取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)新科研成果.這些成果可用于其他天體表面著陸、巡視等后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)，有力地促進(jìn)了航天技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)了其它相關(guān)學(xué)科和領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了我國科技自主創(chuàng)新能力的提升.