大家好 我是狼雁我来自中国空间技术研究院今天非常高兴见到大家我目前主要从事的是行星探测相关制导 导航与控制方面的工作今天我要跟大家分享的是火星探测的故事题目叫做《通向火星之旅》
天文一号是我们国家首个火星探测器它由环绕器和着陆巡视器组成大家看这张照片在互联网上非常火它是着陆巡视器在落火之后驻荣号火星车和着陆平台的自拍照自拍照是不是非常的酷啊
其实想在火星自拍可不是那么容易目前只有中美两个国家能有这样的实力
月球是距离地球最近的天体所以探索月球也是我们国家迈向深空的第一步我们国家的探月工程通过嫦娥一号 嫦娥二号 嫦娥三号三次任务逐步递进的方式实现了环月 着月和月面巡视我们再继承了探月工程
非常丰富的经验的基础上我们在天文一号火星探测的过程中也是通过一次任务就圆满实现了火星的环绕巡视
和着落这一壮举这在世界范围内也是独一无二的这也体现了我们中国的智慧可以说是一举三得天文一号在炭火过程中它经历了哪些困难和挑战呢主要有以下六个方面
第一就是地火距离非常的遥远那么它是通过怎样的一条路径去到火星的呢这就是如何去的问题那么在茫茫的宇宙当中如何确定自己的位置呢这就是要解决我在哪儿的问题那么在飞行的过程中它能进行随心所欲的指向吗它要经过精确的姿态控制来解决往哪儿指的这个问题
那么在快到火星的时候必须得经过精确的自动减速来解决怎么停的问题那么环绕之后它还要为软着陆做准备那就要解决从哪进和怎么落的问题那么接下来就让我们一起看一看天文一号具体是怎么攻克这六个难题的首先我想问一问同学们大家知道地月之间有多远吗
地月之间的平均距离是 38 万千米那么如果我们把太阳到地球之间的距离定义为一个天文单位的话那么地月之间的平均距离就是 0.00256 个天文单位
那么我们要去火星的话地火之间最短距离也有 0.38 个天文单位最远的距离可以达到 2.6 个天文单位大家可以看到地火之间的距离是地月距离的
高了好几个数量级所以天问一号的这趟奔火之旅注定是充满了非常多的挑战那么我们接下来看第一个问题怎么去火星呢我们在地球上如果要去一个地方同学们是不是首先先打开导航软件给自己规划一条合适的路径通常我们可以选距离最短耗时最短或者是
最省油的方案其实在天文一号去往火星之前我们地面的科研人员也会做相同的工作他们会利用专业的轨道设计软件为天文一号设计一条适合它的路径那么目前我们国家现役的能力最强的火箭长征五号也就是碰五它还不足以支撑我们选择距离最短的方案
其实科研人最终为天文一号选择的是一条最省油的方案是一条燃料最优的方案那么同学们是否想知道最省油的方案到底是一条什么样的路径呢那么接下来让我们就看一看首先我们要回顾一下嫦娥卫星它是怎么去往月球的呢
嫦娥一号卫星呢是通过运载火箭呢先把它送入到地月停泊轨道上那么在这个轨道上呢通过嫦娥一号卫星啊自己还要再踩三次油门逐渐加速才能进入到地月转移轨道上
那么嫦娥二号卫星啊它就不需要自己再踩油门了因为这个时候呢火箭的能力已经大大提升了它可以把嫦娥二号卫星呢直接送入到地月转移轨道上也就是说呢嫦娥一号卫星奔月的时候啊还要自己走几天弯弯绕的小路才能进入地月高速公路
那么到嫦娥二号卫星因为火箭能力强了直接就把它送入到了地月转移轨道这是一条直航航线可以大大缩短这个奔月的时间那么正是我们借鉴了嫦娥
所以我们天文一号在奔火的过程中也是采用了火箭一次加速就进入地火转移轨道这么一个过程它在地火转移过程中还进行了四次轨道的中途修正和一次升空机动
那么到达火星附近以后天文一号自己又踩了三次刹车最终被火星成功捕获最终进入到了缓火停泊轨道上
那么接下来我们一起来看一看地火高速公路到底是一条什么样的公路呢它的学名叫做霍曼转移轨道那么同学们我们看这个图里这个红色的轨迹是火星环绕太平洋
太阳的公转轨道蓝色的轨迹是地球环绕太阳公转的轨道天位一号从地球发射它会沿着这条橙色的轨迹最终与火星相遇这条橙色的轨迹就是
豁漫转移轨道那么这条豁漫转移轨道其实对我们这个发射窗口是有要求的那么我们站在太阳的角度上要求天文一号发射的时候火星是要超前地球一定的角度也就是说火星 太阳 地球要构成大约
44 度的向位角的时候这时候天文一号从地球发射沿着这个霍曼转移轨迹到达火星环绕太阳的这个公转轨道的时候它恰巧可以与火星相遇那么这样一个传播
窗口其实每 26 个月才可以出现一次那么大家看到这条橙色的豁满转移轨道上有四颗白色的星星它表示需要进行轨道中途修正的地方那么有一颗黄色的星星它表示需要进行深空机动的地方那么我们接下来就看一看什么是中途修正什么又是深空机动呢
其实所谓轨道中途修正就是为了减小飞行器与预定轨迹之间的飞行偏差所进行的一个必要的修正我们可以打个比方比方说我们现在正在沿着导航在一条高速上行驶导航提醒我们了我们要在下一个路口过扎道要进入辅路了但是呢
我们现在还行驶在主路上靠左行驶那么我们现在是不是要尽快地向右变道为即将出主路做好准备呢那么我们这个变道
这个变道的过程其实呢就是中途修正因为呢我们从地球上向火星发射天威一号的时候啊顶多呢也就瞄个八环九环的精度所以呢有这个有一定的这个入轨精度再考虑呢天威一号在飞行的过程中它会受到各种各样的射动力所以呢它在飞行几亿公里之后还能准确地到达火星啊
它途中必须得经过若干次的中途修正才能准确地与火星相遇所以说同学们了解了轨道修正的概念之后那么什么又是深空机动呢所谓深空机动就是
我们要改变天文一号现有的轨道让它进入一条新的轨道同学们我们看这个图紫色的轨迹就是升空机动之前的轨迹绿色的轨迹就进行升空机动之后的轨迹这条绿色的轨迹最终是与火星公转轨道相交的那么
在整个奔火途中我们只需要进行一次升空机动那么这个时间点也是地面的科研人员根据入轨的弹道和地火转移的轨道联合优化之后的一个结果我们这么做的目的就是为了提升运载火箭的运载能力
我们解决了如何去的问题之后接下来一个很重要的问题就是在茫茫的宇宙当中没有东西南北也没有路标我们怎么能确定自己的位置呢答案就是要依靠地面建设的强大的深空探测网
深空探测网又被誉为是太空守望者如果我们把天文一号比喻成是风筝的话那么深空探测网就是人手中牵着的那根风筝线
那么在天文一号的任务中我们国家的加木斯站的 66 米天线喀什站的 35 米天线还有国外阿根廷站的 35 米天线共同组建了一个庞大的深宫探测网它为天文一号的奔火之旅保驾护航正是因为有了这么一个完整的深宫探测网也使得我们的测控覆盖率从原来的 60%左右提升到了
90%以上非常的厉害那么解决了我在哪儿的问题之后天问一号在奔火和缓火的过程中它是否能随心所欲地指向我行我素想往哪儿指就往哪儿指吗那答案肯定是不可以因为姿态控制是天问一号飞行过程中非常重要的一项工作比如说天问一号要对日飞行它就可以
获得能源并且可以热控保温那么天文一号对地分形它就可以直线跟地球之间深空探测网的通信
那么到达火星以后还火飞行它的目的就是为了直线对火星表面摇杆成像那么柱荣号落火之后指向火星车它的目的就是为火星车和地球通信搭建了一个中继的桥梁同学们看姿态控制是不是非常的重要那么
姿态控制靠的是什么执行机构来实现的呢这里我就想为大家介绍一种神奇的装置它的名字就叫做动量轮提起动量轮为什么说它神奇呢因为动量轮调整姿态居然不用消耗燃料那它靠的是什么呀动量轮是一种通过角动量交换来实现姿态控制的一个装置
这个角动量守恒定理告诉我们在一个孤立的系统它的角动量是保持不变的如果我们这个系统中它的一部分要朝一个方向旋转那么这个系统剩余的部分要朝着相反的方向旋转这样才能保持整个系统的角动量保持不变我们天文一号在需要姿态调整的过程中就是通过
通过动量轮自身角动量的变化就可以引起我们航天器的姿态向相反的方向变化这样就实现了这个姿态的调整比如说我们的天文一号在飞行的过程中受到了外干扰力矩的影响那么我们动量轮也可以通过自己角动量大小的变化
把这个外干扰力矩造成的冲量给它吸收掉这样天文一号本体它的姿态就可以保持稳定了大家说动量轮是不是非常的厉害呢
天文一号在经过漫长的旅途到达火星之后它最重要的一个工作是什么要进行太空刹车怎么停就是一个很重要的问题了同学们我们天文一号从地球出发的时候它要达到第二宇宙速度才能摆脱地球的引力飞向火星
那么我们站在太阳的角度上来看天文一号的速度其实它的速度要比第二宇宙速度大为什么呢因为地球还额外赋予了它另外 30 公里每秒的速度这是地球环绕太阳公转的速度其实天文一号是这两个速度的合速度在飞往火星那么它在接近火星之后它的合速度要比
火星环绕太阳的速度还要快所以为了被火星所捕获它必须进行自动减速
它如何进行自动减速呢它靠的就是推进系统所产生的反作用力进行自动减速对于火星这种具有稀薄大气层的天体我们还可以采用多次进出大气层的方式实现对探测器的气动减速这也是一种未来可以应用的方式
天文一号被火星捕获之后它成功地环绕火星运行了接下来一个非常重要的工作就是要为着陆做准备环绕器和着陆巡视器分离以后由着陆巡视器来实现进入下降和着陆的过程要着陆到预定的着陆区最关键的一个问题是什么呢得找准进入的入口
那么这个入口在哪它位于火星大气层的上表面大约距离火面 120 公里高度的位置那么这个进入入口是地面的科研人员根据预定着陆区为天文一号所选择的一个入口所以我们要从这个正确的入口进来如果入口偏了那最后很可能着陆区日期无法落到我们指定的区域
那么从这个正确的入口进入之后接下来我们面临的一个很重要的过程就是恐怖九分钟为什么是恐怖九分钟呢恐怖的原因就是整个着陆的过程是风险很高而且异常复杂那么我们这个过程环环相扣任何一个环节出问题就会导致着陆的失败那么我们在进入的过程中首当其冲要解决一个问题就是减速
怎么减速呢天文一号呢依次通过气动减速降落伞减速动力减速经过三级接力减速之后它的速度从最初的 4.8 公里每秒就会减为零那么减为零以后它在空中要进行一段时间的悬停保持然后呢要选择一片安全的着陆区那定好以后呢在最后着陆缓冲稳稳地降到了火星表面
这就是《天文一号》的整个奔火之旅到最后落火 成功落火
那么在天问一号之后我们国家后续还规划了天问二号小行星探测任务它将实现小行星的伴飞和采样返回还有天问三号火星采样返回任务未来的天问四号木星探测任务还有未来的太阳系边际探测任务那么到木星
到目前为止呢就是天文一号啊是我们中国人在太阳系到达最远的地方火星那么同学们看这幅图啊如果说我们太阳定位在人的这个中指的指尖的这个位置那么火星呢仅仅是在手掌心的位置那么
未来我们要探索木星要到最远的地方探索到太阳系边际可以看到这个距离是成年人张开双臂大约两倍远的地方是不是非常遥远那么我们要到这么远的地方去必须得有足够的推进剂但是目前在有限的时间内我们还没有这么大的火箭能携带这么多推进剂油不够这个问题怎么解决呢我们可以采用引力弹弓的方式
比如说我们有一个小个子同学在操场上跑步那么他跑步的轨迹恰巧和一个正在跑步的大个子同学接近了那么这个大个子同学伸出手来就拉了小个子同学一把帮助小个子同学加速还可以改变速度方向
这个过程其实就是引力弹弓的一个类比这个大个子同学其实就可以类比成借力的行星他伸出的那只手就是行星的引力场所谓引力弹弓就是我们要借助引力从行星的动量借一部分出来转移到自身的身上
这就是引力弹弓的一个原理那么这种方式是未来深空探测必备的一种方式它可以大大的节省推进剂那么除了这个引力弹弓方式之外我们还有一种很好的方式是可以节省推进剂那就是电推进
我们现在来看常规的我们采用的比较多的是化学推进它的原理是利用燃烧推进剂产生化学能来产生高速的喷流我们电推进它是利用电磁能对公指进行加速来产生这种高速的喷流不管是电推进还是化学推进它的原理都是利用喷射出去的物质
所产生的反向推力作用在航天器上产生一个推力电推进在同等尺度上它虽然说推力很小但是它喷射出去的物质喷气速度非常高这也是电推进能够大大的节省推进剂的一个主要原因在未来我们深空探测的过程中电推进是必备的一种推进方式
我们常规的航天器大部分采用的是太阳能也就是说我们采集转换太阳能把它变成电能随着我们的脚步距离深空越来越远未来我们接收到太阳能的太阳辐射会越来越少
但是我们能源不够怎么解决这个问题我们有很好的一种方式就是基于可控核反应的空间核能源有两种一种就是可以利用放射性同位素的核能源另外一种就是基于核反应的核能源
随着我们的深空探测走得越来越远真空探测网对我们航天器的导航定位的能力也有所下降这个时候我们怎么确定自己的位置呢这时必须得利用自主天文导航的方式就好比说我们北半球的人在夜晚中可以利用北斗七星来辨别方向在雨斗当中航天器可以观察太阳 月亮
行星 小行星还有 X 热线脉冲星这些自然天体利用它们可以实现天文测角天文测速和天文测距可以实现导航定位
在我们深空旅行的过程中因为探测器飞得离地球越来越远了探测器和地球之间双向通信的延时也会变得越来越大所以我们通过传统的摇测摇空的方式人为参与就变得越来越难了所以后续我们也要大力地发展自主任务规划 自主控制
提升探测器的智能的水平让它可以在无人参与的情况下自主完成更多的科学探测任务同学们我们迈向深空的脚步有多远那么我们对宇宙的认识
就有多么地广阔我热切地期望同学们今后能加入到我们这个科研团队当中去让我们一起去研究更加先进的真空探测器让我们一起携手共同去探索更多的宇宙奥秘谢谢大家