“剎車”成功！ “天問一號”探測器進入環火星軌道

集團五院“天問一號”研制團隊合影。

“天問一號”火星任務探測器模擬圖。

記者從國家航天局獲悉，2021年2月10日19時52分，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器實施近火捕獲制動，環繞器3000N軌控發動機點火工作約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10度的大橢圓環火軌道，成為我國第一顆人造火星衛星，實現“繞、著、巡”第一步“繞”的目標，環繞火星獲得成功。

首次火星探測任務由地火轉移階段進入火星捕獲階段后，“天問一號”環繞器攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷將陸續開始工作，對火星開展多維度探測。

自2020年7月23日成功發射以來，“天問一號”探測器已累計飛行202天，完成1次深空機動和4次中途修正，抵達火星時飛行里程約4.75億千米，距離地球約1.92億千米，器地通信單向時延約10.7分鐘，各系統狀態良好。后續“天問一號”還將經過多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計劃于2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。

做好導航掌握漂移技巧

2月10日，由中國航天科技集團五院抓總研制的“天問一號”火星探測器順利實施近火制動，完成火星捕獲，正式踏入環火軌道。目前，探測器各系統狀態良好，近火制動后入軌精度很高，為后續環火飛行的順利開展打下堅實的基礎。

截至目前，“天問一號”探測器已經在軌飛行200余天，飛行里程已經突破了4.7億公里，“天問一號”為何能夠順利奔向火星？這一路上它如何熟練應對“路況”，打好“漂移”、踩好“剎車”；如何識別多樣復雜的環火軌道。五院總體設計部軌道設計團隊的星際引航功不可沒。

自2020年7月23日發射以來，“天問一號”探測器已經完成了四次軌道中途修正和一次深空機動。與嫦娥系列探測器在地月空間飛行不同，“天問一號”是在進行星際航行，發射升空三天后已經徹底脫離了地球的引力場。為了確保它能夠順利奔火，五院總體設計部軌道設計團隊悉心為它設計了最優的飛行軌道，制定了詳細、全面的控制策略，助力“天問一號”在導航中精準飛行。

在地火轉移的高速路上，“天問一號”長期處于無動力飛行狀態，難免會受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動因素的影響，與預定軌道產生一定的偏離。為了更接近理論軌道飛行，它就需要輕轉“方向盤”、慢踩“油門”，即通過中途修正的方式來進行飛行方向和速度的細節調整，從而實現精細躍動、高速奔火。

在高速奔火的路上，深空機動是“天問一號”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機動是控制量更大的軌控動作，使探測器通過一次大轉彎、或者說大漂移，從地球的公轉面進入到火星的公轉面上，精確瞄準火星飛行。“從軌道設計的角度來說，深空機動主要是為了調整探測器繞日軌道的尺寸和傾角，從而使探測器飛行的軌道滿足到達火星的需求。”軌道負責人周文艷研究員解釋說。

精準“剎車”抓住今年唯一的近火制動機會

在第四次中途修正后，“天問一號”探測器保持著平穩的飛行軌跡抵達火星附近。從地火轉移軌道進入到環火軌道，需要通過近火制動來實現火星捕獲。

“天問一號”需要準確識別通往火星的高速“路標”，并“剎車”慢行，在通往環火軌道的“匝道”上謹慎行駛。“對于軌道設計來說，近火制動這腳‘剎車’力道大小極為考究，踩得太輕，就會飛離火星；踩得太重，又會對后面的飛行時序產生巨大影響。”軌道主管設計師高珊說。

在完成第四次中途修正后，“天問一號”進入到了合適的窗口期，它必須精準地踩下“剎車”，即通過近火制動實現火星捕獲，一步到位邁入預定環火軌道。對于“天問一號”來說，近火制動只有一次機會，因為下一次合適的窗口期是在2033年。

另一個巨大挑戰的是通信延時，由于探測器距離地球太過遙遠，即將踏入環火軌道的“天問一號”與地球的通信延遲超過了10分鐘，這意味著無法對火星捕獲情況進行實時監控，快速應對。面對這樣一段“視覺盲區”，軌道設計團隊協同控制系統分析了近千種故障工況，確定了關鍵參數及閾值，保證火星探測器在地面無法實時控制的情況下，對可能發生的情況進行恰當的判斷和反應。

多軌調整減速“泊車”

盡管已經做了充分的準備，軌道設計團隊在近火捕獲階段仍然全神貫注地關注著變軌過程中每一個參數、每一條曲線的變化，進行誤差評估。這是中國的航天器第一次抵達火星附近，要一次實現“繞、著、巡”三個目標，軌道設計的難度很高，在完成火星捕獲后，“天問一號”將要面臨更大的考驗。

“天問一號”火星探測器由環繞器與著陸巡視器組成，為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸，“天問一號”需要進行多軌調整，通過精準操作來不斷進行軌道和速度的變動，通過更加復雜的軌道控制來保證“泊車”。

在完成火星捕獲后，“天問一號”進入到環火軌道中，在遠火點進行一次平面機動，調整飛行的軌道傾角，為后續“泊車”奠定基礎。當回到近火點時，它就要慢踩“剎車”，準備更換線路，邁入到停泊調相軌道，對軌道周期進行相應調整，以保證軌跡經過預定的著陸點。當“天問一號”在停泊調相軌道上再次到達近火點時，需要進行第三次“剎車”，進入停泊軌道，并在該軌道上進行多次維持，對著陸區進行拍攝成像，選擇合適的位置，完成“泊車”的最后一步，即實現環繞器與著陸巡視器的分離，著陸巡視器進入到火星大氣，完成這一階段的全部任務。

這次，“天問一號”能夠在奔火路上輕車熟路，離不開五院軌道設計團隊的傾力支持，以及飛控隊伍幾個月來的恪盡職守。

最新消息，“天問一號”于2月15日17時剛剛成功實施捕獲軌道遠火點平面機動。探測器上的3000牛發動機點火工作，將軌道調整為經過火星兩極的環火軌道，并將近火點高度調整至約265公里。

（據新華社）