星图测控 | 行星探测轨控技术浅析

科技   2024-12-09 18:59   北京  

人类自古以来就对太空充满好奇,寻求“我们从哪里来,要到哪里去”的答案。随着深空探测技术的进步,我们对太阳系天体和宇宙的认知日益丰富。深空探测是航天活动的重要方向,也是空间科学与技术创新的关键途径,近年来,我国在这一领域逐步加强研究,推出了“嫦娥”探月工程和中国行星探测工程等重要项目。2024年10月15日,中国科学院、国家航天局和中国载人航天工程办公室联合发布了《国家空间科学中长期发展规划(2024—2050年)》,规划中提到将实施行星探测工程及其他相关科学任务。行星探测作为深空探测的重要组成部分,在深化对太阳系的理解、寻找地外生命、促进资源开发和提升国防安全等方面具有重要价值。本文将简要介绍中国行星探测工程的规划与进展,并探讨轨道控制技术这一关键技术。

中国行星探测工程概览

中国行星探测任务命名为“天问(Tianwen)系列”,首次火星探测任务命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。继“天问一号”首次火星探测任务圆满完成后,下一步将开展“天问二号”小行星探测。

 ▲ 图1  “天问二号”小行星采样返回与主带彗星环绕探测器示意图

图2展示了中国行星探测工程实施路线图:“天问一号”实施首次火星探测任务,一次实现火星环绕、着陆和巡视探测,已于2020年7月23日发射,并于2021年6月11日完成了既定探测任务;“天问二号”预计在2025年发射,将对近地小行星2016HO3开展抵近环绕、附着、采样返回,并对主带彗星311P开展环绕探测;“天问三号”预计2028年前后实施,通过实施火星环绕、表面软着陆、表面探测和取样、表面起飞上升、环火轨道交会及样品转移、火星返回等过程,实现火星取样返回;“天问四号”预计在2030年前后实施,将开展木星系环绕及天王星飞越探测。

 ▲ 图2 中国行星探测工程实施路线图


行星探测轨控技术浅析

1

行星探测轨控技术特点

行星探测任务通常远离地球,地面测控困难,通信延迟大;另外行星的引力场通常是不规则的,还会受到太阳光压摄动、大气阻力(部分行星)、行星扁率摄动等影响,因此行星探测轨道设计和控制非常复杂。

探测器行星探测轨道设计具有以下几个特点:

1)限制性三体或多体作用,例如,探测器在飞往火星的途中,不仅要考虑地球和火星的引力作用,还要考虑太阳等其他天体的影响;

2)为了节省能源和飞行时间,行星探测任务常采用借力飞行的方式,利用天体重力场进行轨道转移,这要求设计者精确计算天体间的相对位置和速度,以找到最佳的借力点和转移轨道;

3)行星探测任务通常包括:转移段轨道和环绕段轨道等多种类型的轨道设计,对于不同类型的轨道,需要考虑不同的约束条件和优化目标,如能量最优、时间最优等;

4)小行星探测最大的难点是引力场复杂多变,导致环绕轨道极不稳定。

同时,在行星探测轨道控制方面,也有自身的特点:

①由于行星探测任务通常远离地球,地面测控困难,通信延迟大,因此,探测器需要具备自主导航定位能力,能够实时确定自身的位置和姿态;

②深空探测器需要在长时间没有监控的情况下运行和进行科学探测,因此除了需要自主确定飞行姿态和轨道外,还应对探测器的工作状态进行自主监测,能够自主决定要进行的任务,并能对出现的故障进行在轨定位、诊断和修复;

③与远至数亿公里的深空探测器进行测控通信,要求远远高于地球航天器间的测控通信,须采用最先进的技术,提高通信链路能力和测控精度,以满足日益增多和不断发展的深空探测任务的需求。

综上所述,行星探测轨道控制技术要比地球卫星轨道控制技术复杂的多。大行星(例如火星)可以采用环绕飞行的方式进行探测,而小行星最大的特点是形状不规则,引力场复杂多变,需对可能的环绕轨道进行稳定性分析。大行星和小行星探测的轨道控制技术存在明显的不同,下面分别介绍大行星(以火星为例)探测轨道控制技术和小行星探测轨道控制技术。

2

大行星探测轨道控制技术

以火星探测为例,其轨道控制主要包括离开地球轨道的转移飞行、到达火星轨道的制动捕获、由捕获轨道变轨到目标轨道三个阶段。


离开地球轨道的转移飞行阶段

在离开地球轨道的转移飞行阶段,有直接奔火和调相奔火两种奔火方式。

直接奔火:这种方式要求运载火箭具备强大的推力,能够直接将探测器送入奔火轨道,并使其达到第二宇宙速度(超过11.2km/s)。这对运载发射的控制精度要求极高,以确保探测器能够准确进入预定轨道。若入轨点存在误差,探测器可能需要在奔火巡航段进行额外的轨道修正,从而消耗更多燃料。美国火星探测器发射多采用这种方式。中国在进行天问一号火星探测任务时,也采用了直接奔火的方式。图3是直接奔火示意图。

 ▲ 图3 直接奔火示意图(参考陈昌亚《浅谈奔赴火星需要解决的几大关键技术》)

调相奔火:探测器首先进入环绕地球的近地驻留轨道,在近地轨道飞行几圈以完成调相操作后加速奔火。在进入调相轨道后,会进行精密定轨,以确保获得满意的控制精度,然后加速奔火。俄罗斯在多次火星发射过程中采用了这种方式。图4是调相奔火示意图。

 ▲ 图4 调相奔火示意图(参考陈昌亚《浅谈奔赴火星需要解决的几大关键技术》)


到达火星轨道的制动捕获阶段

火星制动捕获过程是指探测器在接近火星阶段,利用其主发动机进行长时间的点火操作,以此大幅度降低在行星际空间高速穿梭的探测器速度,确保它能被火星的引力场所捕获,进而顺利进入环火轨道。成功制动捕获需要各系统的大力协同、密切配合,十分考验地面测控系统深空高精度测定轨能力以及火星环绕器的各项高可靠设计。


由捕获轨道变轨到目标轨道阶段

刚开始进入的轨道不一定是所要求工作的轨道,所以在被火星引力场捕获后,还要经过多次轨道修正变轨到工作任务轨道。探测器成功进入并稳定保持在目标轨道上时,任务控制团队也需要继续对探测器的轨道进行监测和维护,以确保其能够顺利完成整个探测任务。

3

小行星探测轨道控制技术

小行星探测的轨道控制涉及转移段和环绕段,下面分别描述转移段轨道控制和环绕段轨道控制的相关技术。

 ▲ 图5  2016HO3小行星运行轨道示意图(黄线)


转移段轨道控制

发射窗口确定:小行星轨道复杂多变,且引力范围小,需利用精确的轨道预测软件,结合地球、小行星及太阳之间的相对位置关系,计算出多个可能的发射时间窗口,这些窗口需确保探测器能以最低能耗、最短路径到达目标小行星。

轨道设计与优化:根据选定的最优发射窗口,设计探测器从地球出发至小行星的转移轨道,包括逃逸地球引力、行星转移轨道(如霍曼转移轨道或更高效的弹道式转移轨道)、中途轨道修正等阶段。小行星探测任务通常资源有限,轨道设计需特别注重能源效率,通过优化轨道形状、速度增量分配等,减少推进剂消耗,延长探测器寿命。在某些情况下,可以利用行星(如金星、地球或木星)的引力助推效应,改变探测器速度方向和大小,以节省燃料并调整轨道。

自主导航与轨道维持:在远离地球的深空中,探测器需依靠自身携带的导航系统进行定位与轨道修正,包括使用星光导航、雷达测距、无线电信号延迟测量等技术。在转移过程中,由于太阳风、微陨石撞击等环境因素,探测器轨道可能会偏离预定路径。因此,需定期执行轨道维持操作,如小推力机动,确保探测器能准确到达目标小行星。

 ▲ 图6  “天问二号”小行星探测轨道示意图



环绕段轨道控制

伴飞轨道设计:小行星质量小、形状不规则,其引力场复杂多变,导致环绕轨道极不稳定,需对可能的环绕轨道进行稳定性分析,确定安全、可持续的伴飞轨道。根据小行星的特性,可以选择不同类型的伴飞轨道,如近圆轨道、椭圆轨道、甚至是不规则轨道,设计时应考虑科学探测需求、轨道维持难度等因素。

轨道保持与机动:由于小行星引力微弱且不规则,探测器需频繁进行轨道微调,以保持伴飞状态,这可能需要使用推力器进行小幅度机动,或利用小行星的非球形引力场效应进行自然轨道调整。还设计灵活的轨道机动策略,以应对突发情况或科学探测需求的变化,例如,当需要更近距离观测小行星表面时,可设计特定的轨道机动方案,确保探测器安全接近而不发生碰撞。

科学探测与数据收集:在环绕段,探测器需执行详细的科学观测计划,包括小行星表面形貌、成分分析、磁场测量、温度分布等,这些观测需与轨道控制紧密结合,确保探测器在最佳位置进行数据采集。

综上所述,小行星探测的转移段和环绕段轨道控制是一个复杂而精细的过程,涉及多学科交叉和技术创新,以确保探测器能够安全、高效地完成任务目标。

   中科星图测控科技股份有限公司

中科星图测控技术股份有限公司成立于2016年,股票代码:874016,是中科星图股份有限公司(股票代码:688568)的控股子公司,是专业从事数字太空科技服务的商业航天企业,致力于以数字化手段提升、增强和拓展卫星、火箭等实体进出空间、探索空间、利用空间、开发空间的能力与效益。公司利用空间科学及新一代信息技术,研发并推出了以洞察者平台为核心的数字太空系列产品,面向特种领域、民用领域、商业领域提供航天测控管理、航天数字仿真相关的产品销售、技术开发及服务。



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