剎車(chē)成功！天問(wèn)一號(hào)從環(huán)火星軌道發(fā)來(lái)新春祝福

北京時(shí)間2月10日19時(shí)52分，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作約15分鐘，探測(cè)器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米，周期約10個(gè)地球日，傾角約10°的大橢圓環(huán)火軌道，成為中國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。

制圖：李雪瑤

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入火星捕獲階段后，天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子探測(cè)和能量粒子探測(cè)器等載荷將陸續(xù)開(kāi)始工作，對(duì)火星開(kāi)展多維度探測(cè)。

自2020年7月23日成功發(fā)射以來(lái)，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器已累計(jì)飛行202天，完成1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正。抵達(dá)火星時(shí)，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器飛行里程約4.75億千米，距離地球約1.92億千米，器地通信單向時(shí)延約10.7分鐘，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。

天問(wèn)一號(hào)傳回首幅火星圖像。國(guó)家航天局供圖

天問(wèn)一號(hào)這次“太空剎車(chē)”必須一次成功。科研人員是如何做足預(yù)案，讓天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器精準(zhǔn)踩下“剎車(chē)”，成功實(shí)施火星捕獲的？記者采訪相關(guān)專(zhuān)家，一探究竟。

必須一次成功

在臨近火星時(shí)，天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器啟動(dòng)其配備的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推力減速，將速度降低至能夠被火星引力捕獲，成為一顆環(huán)繞火星的衛(wèi)星，否則探測(cè)器將飛越火星繼續(xù)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。對(duì)于天問(wèn)一號(hào)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)，一旦錯(cuò)過(guò)了，下一次合適的窗口期就得再等上很長(zhǎng)時(shí)間。

打個(gè)比方，地火轉(zhuǎn)移軌道就像是一條以太陽(yáng)為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個(gè)出口，一旦探測(cè)器不能及時(shí)剎車(chē)、從火星出口下高速，那就只能多繞一圈到下次路過(guò)該出口了。

2010年12月日本的“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器就由于發(fā)動(dòng)機(jī)故障而未能及時(shí)完成金星捕獲制動(dòng)，直接飛越金星。直到2015年12月，它才再次回到金星附近，此時(shí)它已經(jīng)接近壽命末期，還好后來(lái)捕獲成功，不然就“此情可待成追憶”了。

在這關(guān)鍵的剎車(chē)段，中國(guó)航天科技集團(tuán)研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了相當(dāng)靠譜的“剎車(chē)”方案，不僅可以準(zhǔn)確判斷是否降至目標(biāo)速度，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速控制的過(guò)程中，還可以全自主地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的大小和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并自主更新剎車(chē)參數(shù)及相應(yīng)的控制算法，確保可靠、精準(zhǔn)完成剎車(chē)。

1.92億公里外的全自動(dòng)“剎車(chē)”

“對(duì)于軌道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳剎車(chē)力道大小是極為考究的，踩得太輕，就會(huì)飛離火星；踩得太重，則會(huì)對(duì)后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響。”天問(wèn)一號(hào)軌道主管設(shè)計(jì)師高珊用生動(dòng)的比喻來(lái)描述近火制動(dòng)。

資料圖：2020年7月23日12時(shí)41分，中國(guó)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器。駱云飛 攝

火星引力的“捕獲窗口”有限，要求探測(cè)器在15分鐘內(nèi)將速度從28km/s(公里每秒)降低至約1km/s。與常規(guī)衛(wèi)星可以由地面實(shí)時(shí)操控不同，“制動(dòng)捕獲”過(guò)程中，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器距離地球約1.92億公里，地球與探測(cè)器之間的數(shù)據(jù)通信單向時(shí)間延遲超過(guò)10.7分鐘，探測(cè)器必須完全依靠自身來(lái)完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。

天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說(shuō)，“在失去地面實(shí)時(shí)測(cè)控的環(huán)境下，我們只有通過(guò)方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在偏差、探測(cè)器質(zhì)心不斷變化等情況，全自動(dòng)地執(zhí)行精確軌道控制，再通過(guò)多因素組合的測(cè)試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。”

航天“天團(tuán)”全程護(hù)送

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在2020年7月23日從地球出發(fā)，歷經(jīng)炎炎夏日、颯颯金秋、瑟瑟寒冬，歷時(shí)近7個(gè)月的長(zhǎng)途跋涉終于抵達(dá)環(huán)火軌道。

資料圖：2020年10月1日，中國(guó)國(guó)家航天局發(fā)布中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器飛行圖像，圖上的五星紅旗光彩奪目，呈現(xiàn)出鮮艷的中國(guó)紅。這是中國(guó)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器首次深空“自拍”。中新社發(fā) 中國(guó)國(guó)家航天局 供圖

從奔火啟程的那一天起，中國(guó)航天的科研人員便日夜對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行細(xì)致的判讀，一路上四次中途修正，一次深空機(jī)動(dòng)，兩次狀態(tài)自檢，讓天問(wèn)一號(hào)的火星之旅程更加踏實(shí)。

這次近火制動(dòng)，159名科研人員在北京航天飛行控制中心協(xié)同工作，24小時(shí)連續(xù)跟蹤；更有中國(guó)航天科技集團(tuán)五院飛行控制的“最強(qiáng)天團(tuán)”坐陣，他們中有中國(guó)科學(xué)院院士葉培建等16名技術(shù)專(zhuān)家和顧問(wèn)、5名“兩總”、61名各個(gè)崗位的飛控人員。正如受訪專(zhuān)家所言，在臨近春節(jié)之際，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器如愿進(jìn)入環(huán)繞火星的軌道，也給全國(guó)人民拜了個(gè)早年，提前送上牛年的祝福。

“日月安屬？列星安陳？”從環(huán)火開(kāi)始，天問(wèn)一號(hào)這顆中國(guó)制造的航天器，就正式成為火星的衛(wèi)星。后續(xù)，天問(wèn)一號(hào)還要進(jìn)行一次軌道調(diào)整和兩次近火制動(dòng)，屆時(shí)天問(wèn)一號(hào)離火星最近距離只有265公里。之后，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器會(huì)邊環(huán)繞邊完成拍照任務(wù)，開(kāi)展預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，計(jì)劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開(kāi)展巡視探測(cè)。