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(yù)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(zhǔn)操控著“天問一號”每個飛行動作的完成。
“雖然我們在前期準(zhǔn)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(fù)責(zé)總體工作的董捷說。團隊的主要任務(wù)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(yù)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(yù)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(shè)計到實施再到任務(wù)執(zhí)行，過程還是比較復(fù)雜的。”數(shù)管分系統(tǒng)主任設(shè)計師趙蕾坦言，因為地球與探測器的距離很遠(yuǎn)，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(wù)，趙蕾帶領(lǐng)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(dāng)于“天問一號”的“大腦”。“因為探測器離地球很遠(yuǎn)，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(yán)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(fù)校核，迎接近火捕獲的關(guān)鍵時刻。
“此次探火任務(wù)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(yù)案處理，保證不出現(xiàn)任何差錯。”數(shù)管分系統(tǒng)副主任設(shè)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(wù)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(shè)計師向艷超帶領(lǐng)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(biāo)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(shè)計需求，設(shè)備能否在當(dāng)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(yuǎn)，到達(dá)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(zhǔn)確
“因為距離太遠(yuǎn)，‘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(dāng)“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(wù)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(fù)核，以此來確認(rèn)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(yù)。”環(huán)繞器副總設(shè)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(yù)案周密性等最充分的考驗。”
實際上，明確了著陸器準(zhǔn)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(wù)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(yīng)急軌控策略準(zhǔn)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(fù)責(zé)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(wù)，沒想到大家積極響應(yīng)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(wù)的軌道設(shè)計和保證飛控任務(wù)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(fù)核確認(rèn)工作，制定故障應(yīng)對策略，確保“天問一號”在不同的故障下都能從容應(yīng)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(shè)備全體開機工作的雙重壓力，要應(yīng)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(yù)案，但到目前一項故障都沒有發(fā)生，設(shè)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(zhǔn)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(shè)計師的杜洋，主要負(fù)責(zé)“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(wù)，制定精準(zhǔn)嚴(yán)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(fù)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(zhǔn)備及在軌實施任務(wù)后，為保證任務(wù)成功，必須確保策略合理可行、飛行實施文件絕對精準(zhǔn)。“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(rèn)與會簽。
嚴(yán)格把控，以高標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yù)探測的開展，設(shè)計師對火星的認(rèn)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(shè)計上都做了很多優(yōu)化工作，確保任務(wù)可以更好地適應(yīng)最新的認(rèn)識和需求。”負(fù)責(zé)總體的繆遠(yuǎn)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(shè)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(shè)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(fù)責(zé)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(xì)節(jié)，摳演練的覆蓋性，摳故障預(yù)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(wù)，從2020年6月初開始集中飛控準(zhǔn)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(yù)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(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一個崗位職責(zé)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(biāo)準(zhǔn)要求自己，嚴(yán)格把控，認(rèn)真操作，細(xì)致判讀，確保圓滿完成火星探測器飛行控制任務(wù)。
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(fù)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(zé)任編輯：家正】
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