落火之後，天問一號的“另一半”去哪了
2021年5月15日凌晨4時許，天問一號着陸巡視器與環繞器“兩器分離”，前者進入火星大氣，成功軟着陸於預選着陸區，後者返回停泊軌道，爲着陸巡視器提供中繼通信。中國航天科技集團八院供圖
2021年5月15日，中國成功實現火星着陸，實現這一壯舉的是我國首次火星探測任務天問一號探測器。
鮮爲人知的是，天問一號探測器包括環繞器和着陸巡視器兩部分。5月15日着陸火星的是着陸巡視器，那麼天問一號的“另一半”――環繞器去哪了？
是的，它又回到了火星軌道，繼續在火星上空翱翔。5月15日凌晨4時許，天問一號探測器成功實施環繞器和着陸巡視器的“兩器分離”，3小時後，着陸巡視器成功穿越火星大氣，在火星表面實現軟着陸；兩器分離約30分鐘後，環繞器則進行升軌，返回火星停泊軌道，成爲着陸巡視器與地球的通信中繼站，同時繼續進行火星環繞探測。
據中國航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華介紹，爲實現着陸巡視器準確進入火星着陸軌道，環繞器需要首先在攜帶着陸巡視器的情況下來到進入火星的軌道，實施兩器分離後，環繞器需要迅速擡升軌道，而着陸巡視器則進入火星大氣層。
這個分離前後的控制需要7個小時。
作爲搭載着陸巡視器的星際“專車”，環繞器需要順序完成軌道降低發動機點火和關機、兩器分離姿態建立、兩器分離後軌道升高發動機點火和關機等系列動作。
“這是一系列很關鍵的姿態和軌道機動，稍有不慎，探測器就可能被火星引力拉向火星表面，而由於通訊時延的存在，我們並沒有辦法實時獲知探測器的狀態並對異常情況進行干預。”朱慶華說。
在他看來，器器分離的過程是對控制算法精度、產品工作可靠性、故障預案周密性等最充分的考驗。
實際上，明確了着陸巡視器準確的着陸點後，探測器的一系列機動也就隨之確定下來了。在探測器進行第一次降軌點火的3個小時前，航天設計師已上注所有控制策略，策略中包含了對可能發生情況的應對。
分離時，環繞器的軌道控制精度和姿態控制精度是着陸巡視器能否進入預定着陸區的前提。這些需要依賴敏感器、執行機構、計算機以及算法的準確性，是對探測器制導、導航與控制系統的一次“大考”。
方案設計師王衛華打了個比方：這就好比在室外，距離標準籃筐980米進行投籃，還必須事先考慮到投籃的角度、時機、投球力度，以及籃球自身旋轉運動、風速和風向外部環境等種種因素的影響。
同時，設計師們也做了不同情況下的預案和對策。當環繞器通過自身的敏感器發現沒有完成既定的動作時，會自主帶着着陸巡視器迅速進行軌道擡升以避免撞向火星，並在合適的時機再次選擇執行兩器分離的一系列動作。
通信“中繼站”
在此次火星探測任務中，環繞器不僅僅是一輛星際“專車”，它還是一座功能強大的通信“中繼站”，爲火星表面巡視器與地球搭建通訊橋樑，肩負對火星表面進行遙感探測的任務，同時選擇恰當的時機來將巡視器的數據“中繼”傳向地球。
在距離地球2.93億公里的軌道上準確指向地球，相當於要在2米開外瞄準繡花針孔，而且要在環繞器自身飛行運動情況下，時刻保持瞄準狀態。
朱慶華說，環繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數據傳輸天線、1幅對巡視器數據中繼天線。在環繞器執行數據中繼任務時，需要驅動太陽電池陣對準太陽方向以保證自身電能的供應，同時需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數據“鵲橋”。“此時，環繞器需要同時實現對巡視器、地球、太陽3個目標的高精度同步指向控制，絕對可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”制導、導航與控制系統主任設計師聶欽博說。
據他介紹，近地衛星通常是長期對地穩定，使用全向天線，不會出現通訊鏈路中斷的問題，而環繞器在環火飛行時與地球距離遠，由於天線波束角有限，設計師們要在確保對天線指向高精度控制的同時，對可能發生的通訊鏈路中斷做出預案。
“我們設計了一種通訊鏈路中斷後的自主恢復策略。一旦發生通訊鏈路中斷，探測器就會‘自主慢旋’，並在這一過程中，使天線掃到地球，進而恢復通訊鏈路。這一過程也是環繞器自主實現。”軟件設計師周�I元說。
如今，環繞器依然在穩定環火飛行，成爲了着陸巡視器與地球之間的通信橋樑，完成數據中繼任務後，它也將全力開啓自己的環火遙感之旅。