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  2月10日,在历经近7个月的太空航行后,由航天科技(000901)集团研制的我国首个火星探测器天问一号成功实施捕获制动,精准进入环火轨道,正式开启了环绕火星阶段的探测任务。

  制动捕获,简单来说就是通过发动机推力减速控制,来降低探测器的速度,使其能够被目标星体的引力所捕获,这一动作也被形象地称为“踩刹车”。但到底如何踩刹车?面对这一工程问题,八院火星探测GNC团队不仅做到了精准“刹车”,更实现了全过程由探测器自主完成这一高难度动作,交出了一份高分答卷。

  让探测器实现全自动“刹车”

  对于以每秒 28公里高速靠近火星的探测器来说,要想被火星引力捕获,必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段,精准、自主可靠完成“刹车”。理论上,给探测器一个反向推力,即可把它的速度降下来。但在工程实现过程中,仍会遇到不少问题。

  火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机,进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限,要求探测器在10分钟内将速度降低到约每秒1公里。

  与常规卫星可以由地面实时操控不同,制动捕获过程中,探测器距离地球1.92亿公里,地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10分钟,探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机,克服发动机点火期间的扰动,实现点火方向和点火时长的精确控制。

  “在失去地面实时测控的环境下,要通过方案设计,充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况,全自主执行精确轨道控制;再通过多因素组合的测试和仿真分析,让控制方案更加健壮可靠。”环绕器副总设计师朱庆华说道。

  团队研究了目前国际上所有的火星探测器,并对国外的案例进行深入剖析。 “我们对火星探测全过程反复推演,可以说已经将能想到的所有可能情况都考虑了进去,并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”GNC系统主任设计师聂钦博说道。

  0.3%的影响也不能忽视

  在研制阶段一次半物理仿真试验中,探测器的捕获制动精度与指标要求有了明显偏差,这使得研制团队高度紧张。方案已考虑了探测器燃料消耗引起的质量变化,也考虑了推力方向偏心造成的姿态干扰等多种可能的因素,为什么精度还是不够呢?

  团队随即对捕获制动这一过程再次进行深入分析,终于发现,制动前的“沉底”时间过长,对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。

  所谓“沉底”就是在主发动机推力减速前,先启动维持探测器姿态控制的小推力器工作,通过姿态控制推力器产生的加速度,使燃料集中到贮箱底部,便于主发动机工作。

  为此,团队迅速对这一过程进行精确量化分析,将沉底工作过程的推力减少了一倍,并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时机的计算中,通过方案优化和进一步仿真验证,捕获制动精度有了显著提升。

  此外,承担着指挥控制任务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证工作下,3台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决”,即运算时刻和初始数据始终保持一致,进而通过少数服从多数原则,确保计算结果准确无误。

  为确保我国首次自主火星探测任务最关键的这次“刹车”可靠完成,团队在4年的研制过程中,不断进行着各参数的正常范围、极限拉偏测试,分析测试和试验中 GNC系统的表现,对异常现象迅速定位并对方案进行优化完善。

  “我们已运用自己的算法对其他火星探测任务进行仿真,仿真结果与国际上公布的数据非常吻合。”环绕器GNC分系统产保师刘宇不无自豪地说。(李柏杨)



 

航天科技股票行情:

(诊股日期:2021-02-19)


● 短期趋势:弱势下跌过程中,可逢高卖出,暂不考虑买进。

● 中期趋势:下跌有所减缓,仍应保持谨慎。

● 长期趋势:迄今为止,共1家主力机构,持仓量总计2.26万股,占流通A股0.003%

综合诊断:近期的平均成本为7.94元,股价在成本上方运行。空头行情中,目前反弹趋势有所减缓,投资者可适当关注。该股资金方面呈流出状态,投资者请谨慎投资。该公司运营状况尚可,暂时未获得多数机构的显著认同,后续可继续关注。
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