歷史性瞬間！中國首顆火星探測器“天問一號”精準(zhǔn)實施近火捕獲制動

 2021年2月10日19時52分，中國航天再次迎來一個歷史性時刻。在經(jīng)過長達七個月，累計202天，4.75億公里的漫長飛行之后，中國首顆火星探測器“天問一號” 精準(zhǔn)實施近火捕獲制動，成功進入近火點高度約400千米，周期約10個地球日，傾角約10º的大橢圓環(huán)火軌道，中國的航天探測器首次到達火星！

“天問一號“上的分離測量傳感器拍攝的”天問一號“在太空中的美妙身姿。

難度極大，一把定輸贏

火星制動捕獲，顧名思義就是高速“行駛”的火星探測器在靠近火星時，通過主發(fā)動機長時間點火“踩一腳剎車”，使得探測器以大速度增量減速，從而能夠被火星的引力場所捕獲，使得探測器能夠順利進入繞火軌道。

火星制動捕獲堪稱是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。因為制動捕獲的機會是唯一的，維系著整個探火任務(wù)的成敗。

探測器在捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要精確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。如果探測器“剎車”太晚或是“剎車”時長不夠，就會飛越火星繼續(xù)圍繞太陽公轉(zhuǎn)，耗費數(shù)年時間等待下一個“制動窗口”。而探測器如果“剎車”太早或是“太急”，就有可能直接“撞上”火星。

據(jù)公開資料顯示，此前前蘇聯(lián)、美國、日本的火星探測任務(wù)都曾在“火星捕獲段”遭遇失敗。 1974年，前蘇聯(lián)的火星4號探測器在距離火星表面2200公里處由于制動發(fā)動機失效而沒有切入火星軌道，最終飛越火星。1999年，美國的火星氣候軌道器星在實施火星制動捕獲時，因軌道高度比設(shè)計值偏低，最終導(dǎo)致探測器進入火星大氣層而被燒毀。而在2020年，日本的“希望號”火星探測器因為探測器上的通信和電子系統(tǒng)損壞，從而無法順利實施制動捕獲未能進入環(huán)火軌道。

此外，2010年12月，日本的“拂曉號”金星探測器也是倒在了“制動環(huán)節(jié)”，“拂曉號”金星探測器的發(fā)動機由于故障未能及時完成金星捕獲制動，直接飛越金星。直到2015年12月，它才再次回到金星附近捕獲成功，然而此時它已經(jīng)接近壽命末期。

據(jù)了解，于今晚成功實施火星制動捕獲的中國的“天問一號” 探測器，目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400km，在實施火星制動捕獲的時候稍有不慎就會撞擊火星或飛離火星。“天問一號”在靠近火星時的速度已高達28km/s，想要被火星引力場所捕獲，就要求探測器配置的1臺3000N的軌道控制發(fā)動機，在“捕獲窗口”對應(yīng)的，有限的軌道弧段，在10分鐘內(nèi)將速度降低約1km/s。

而與一般環(huán)繞地球的衛(wèi)星由地面實時操控入軌的方式不同的是，“天問一號”在火星制動捕獲過程中，探測器距離地球達1.92億公里，地球與“天問一號”之間數(shù)據(jù)通信的單向時間延遲超過10.7分鐘，因此，在“分秒必爭”的制動過程中，“天問一號”必須完全依靠自身完成發(fā)動機的點火和關(guān)機，克服發(fā)動機點火期間的擾動，實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。

為了確保了“天問一號”能夠完美實施火星制動捕獲，負(fù)責(zé)研制“天問一號”的中國航天科技集團科研團隊專門為“天問一號”設(shè)計了器務(wù)自主管理器雙大腦、姿軌控計算機三核心、測控通信多通道切換策略、發(fā)動機雙關(guān)機策略以及3000N和120N發(fā)動機兩重保險等多項技術(shù)，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性。

未來步步驚心，每一步都將創(chuàng)造歷史

成功實施火星制動捕獲，標(biāo)志著中國首次火星探測任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的環(huán)繞目標(biāo)順利達成，為后續(xù)探測器的著和巡視任務(wù)的順利實施奠定了基礎(chǔ)。

隨后，”天問一號“探測器在幾個月內(nèi)還將進行多次軌道調(diào)整，進入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，計劃于2021年5月實施火星探測之旅中的另一項關(guān)鍵動作——環(huán)繞器和著陸巡視器“兩器分離”，最終將實現(xiàn)火星著陸，開展巡視探測。

據(jù)了解，接下來的“兩器分離”環(huán)節(jié)需要探測器在約3個小時內(nèi)首先變軌到存在撞擊火星風(fēng)險的軌道上，建立并保持著陸器進入火星大氣所需要的姿態(tài)，且姿態(tài)誤差必須小于0.01度。而到了預(yù)定分離的時刻，環(huán)繞器與著陸器必須迅速完成分離，在經(jīng)過安全距離飄飛過程后，環(huán)繞器需要立馬完成推力加速，以回到安全的環(huán)繞火星軌道上。這一過程中，無論是“降軌”還是“升軌”都需要對時間有精準(zhǔn)的把控，太早難以保證著陸器進入精度，太晚則會造成環(huán)繞器撞擊火星的風(fēng)險。整個“器器分離”環(huán)節(jié)頗具看點，值得期待。

“天問一號“上的分離測量傳感器拍攝的”天問一號“上的國旗。

“天問一號于2020年7月23日成功發(fā)射升空，是中國行星探測計劃中的首個任務(wù)，計劃通過一次發(fā)射完成火星探測”環(huán)繞及著陸巡視“的壯舉，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。“天問一號”火星探測任務(wù)是我國“兩個一百年”進程中的重大成就和標(biāo)志，是中國航天迎接建黨100周年的重要工程之一，也是中國航天走向更遠(yuǎn)深空的里程碑工程。