文章來源：新華網 發布時(shi)間：2022-02-18
2月10日晚間，農歷臘月廿九，我國首次火星(xing)(xing)探(tan)測(ce)任務“天問(wen)一(yi)號”探(tan)測(ce)器成(cheng)功實(shi)施(shi)近火制動，開啟環繞火星(xing)(xing)之旅。此舉也被(bei)視為此次火星(xing)(xing)探(tan)測(ce)任務的關鍵一(yi)步，意味(wei)著“天問(wen)一(yi)號”探(tan)測(ce)器已經成(cheng)功被(bei)火星(xing)(xing)引(yin)力捕(bu)獲(huo)。那么(me)，什么(me)是火星(xing)(xing)捕(bu)獲(huo)？“天問(wen)一(yi)號”經歷了怎樣的奔火之旅？
出個遠門：“天問一號”已經離家200多天
飛行里(li)程4.75億(yi)千米(mi)、飛行時間長(chang)達202天(tian)……“天(tian)問一號”過五關(guan)斬六將，經過地(di)火轉(zhuan)移(yi)的漫(man)漫(man)旅途后，終于來到火星(xing)附(fu)近。
從地球到火(huo)(huo)星的轉移(yi)，是漫長的旅行。火(huo)(huo)箭發(fa)射(she)是整個飛行過程的開始，在(zai)發(fa)射(she)37分(fen)鐘后，探測器(qi)(qi)與火(huo)(huo)箭于(yu)距離地面670千米(mi)的太空(kong)中進行分(fen)離，探測器(qi)(qi)至此(ci)進入地火(huo)(huo)轉移(yi)軌道，在(zai)地火(huo)(huo)轉移(yi)軌道上經(jing)歷(li)了200多天(tian)的飛行，在(zai)地面測控系(xi)統的支持下，經(jing)過4次中途(tu)修(xiu)正和1次深(shen)空(kong)機動修(xiu)正飛行路徑，環繞器(qi)(qi)逐漸飛近火(huo)(huo)星，進入火(huo)(huo)星捕獲段。
火星(xing)捕獲(huo)是火星(xing)探(tan)測(ce)任務中技術風險最高的(de)(de)環節之(zhi)一(yi)(yi)，由于火星(xing)捕獲(huo)窗口的(de)(de)唯一(yi)(yi)性(xing)，捕獲(huo)的(de)(de)成敗決(jue)定了(le)火星(xing)探(tan)測(ce)任務的(de)(de)成敗，這一(yi)(yi)點火制動過程通常被稱為“踩(cai)剎車”。剎車踩(cai)早(zao)了(le)，探(tan)測(ce)器(qi)速(su)度降(jiang)得過低，探(tan)測(ce)器(qi)會墜入大氣層(ceng)撞擊火星(xing)；剎車踩(cai)晚了(le)，探(tan)測(ce)器(qi)就不能被火星(xing)引力捕獲(huo)，從而飛離火星(xing)。
來自(zi)中(zhong)(zhong)國(guo)航天科技集團八院的(de)(de)專(zhuan)家表(biao)示(shi)，為了(le)精確(que)把(ba)控發動機的(de)(de)開關時機，環繞器在近火(huo)(huo)捕(bu)獲(huo)前需要由地面(mian)對(dui)其進行精確(que)的(de)(de)無線(xian)電測定軌(gui)，再(zai)結合從(cong)環繞器上(shang)光學自(zi)主導航儀器中(zhong)(zhong)獲(huo)得的(de)(de)導航信息，得到環繞器和火(huo)(huo)星(xing)的(de)(de)精確(que)位置。制動過程中(zhong)(zhong)，依靠(kao)可靠(kao)的(de)(de)捕(bu)獲(huo)策略，確(que)保探測器處于“捕(bu)獲(huo)走(zou)廊”直(zhi)至進入(ru)環火(huo)(huo)軌(gui)道。
此(ci)外，制動過程還需要火星(xing)環繞器(qi)具備自主應(ying)對(dui)器(qi)上突發故障能力，確(que)保(bao)火星(xing)捕獲(huo)過程開展順利可靠。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕獲段是(shi)(shi)火(huo)星(xing)探測(ce)器進入(ru)火(huo)星(xing)的(de)(de)(de)引力范圍到最終(zhong)被火(huo)星(xing)捕獲的(de)(de)(de)階段，是(shi)(shi)火(huo)星(xing)探測(ce)任(ren)務中技術風險最高、最為重(zhong)要的(de)(de)(de)環節之一(yi)，關(guan)系任(ren)務的(de)(de)(de)成敗。地外天體捕獲制(zhi)動(dong)是(shi)(shi)實現月球、火(huo)星(xing)等深空(kong)天體探測(ce)任(ren)務的(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)，而(er)捕獲制(zhi)動(dong)控制(zhi)技術又是(shi)(shi)決定(ding)捕獲制(zhi)動(dong)是(shi)(shi)否成功的(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)。
專家(jia)介紹，當航天器進入目(mu)(mu)標天體影響(xiang)球內，相對目(mu)(mu)標天體的軌道(dao)通常為雙曲線軌道(dao)，因此必須(xu)進行減速機動，否則將(jiang)沿著(zhu)雙曲線軌道(dao)飛離目(mu)(mu)標天體，這一減速機動過程稱為捕獲制動。
此次(ci)火(huo)星探(tan)測(ce)任(ren)務捕獲期間，探(tan)測(ce)器(qi)(qi)距(ju)離火(huo)星僅400千米，相對火(huo)星的速(su)度(du)卻高達(da)4至5千米每秒。捕獲過程(cheng)中，火(huo)星環(huan)繞器(qi)(qi)需(xu)準確進行點火(huo)制(zhi)(zhi)動(dong)，如果(guo)制(zhi)(zhi)動(dong)點火(huo)時間過長，探(tan)測(ce)器(qi)(qi)速(su)度(du)下降過多(duo)，探(tan)測(ce)器(qi)(qi)就會一頭撞上火(huo)星；如果(guo)制(zhi)(zhi)動(dong)點火(huo)時間過短(duan)，探(tan)測(ce)器(qi)(qi)速(su)度(du)過快，就會沿拋物線軌跡(ji)飛離火(huo)星。
“打個(ge)比方，地火轉移(yi)軌(gui)道就像是一(yi)(yi)條(tiao)(tiao)以太陽為中心的橢圓形閉(bi)環(huan)高(gao)速(su)，火星只(zhi)是這條(tiao)(tiao)高(gao)速(su)上的一(yi)(yi)個(ge)出口，一(yi)(yi)旦探測器不(bu)能(neng)及時剎車從火星出口下(xia)高(gao)速(su)，那(nei)就只(zhi)能(neng)多繞一(yi)(yi)圈、花(hua)費數年到下(xia)次路過該出口了。”中國航天科技集團八院“天問一(yi)(yi)號”探測器副(fu)總(zong)指揮張玉花(hua)說(shuo)。
由于火星探測(ce)器(qi)(qi)從地球飛向火星的過(guo)程中(zhong)能夠被火星引(yin)力(li)所(suo)捕獲的機會只有(you)一(yi)次，且時(shi)間僅30分鐘左右，不能中(zhong)斷(duan)；捕獲時(shi)探測(ce)器(qi)(qi)距離地球1.92億千米，無(wu)(wu)線電(dian)通信(xin)雙向延時(shi)達(da)20多分鐘，地面(mian)無(wu)(wu)法對這一(yi)制(zhi)動(dong)過(guo)程進行實時(shi)監控(kong)，只能依靠探測(ce)器(qi)(qi)自主執行捕獲策略(lve)。
剎車制動：穩、準、狠
“在太(tai)(tai)陽(yang)系里，八(ba)大行(xing)星以太(tai)(tai)陽(yang)為核心(xin)公轉(zhuan)，形(xing)成(cheng)了八(ba)個環(huan)(huan)形(xing)軌(gui)道，其中(zhong)地球位于‘三環(huan)(huan)’，火星則在‘四(si)環(huan)(huan)’。”中(zhong)國航天科技集團六(liu)院11所副總設計師蘭曉輝介紹：“3000牛軌(gui)控(kong)發(fa)動機承擔著三項任務(wu)，一是(shi)‘三環(huan)(huan)’轉(zhuan)移到‘四(si)環(huan)(huan)’過程中(zhong)的(de)(de)(de)姿態修正，二是(shi)‘四(si)環(huan)(huan)’上(shang)的(de)(de)(de)‘剎車制動’，三是(shi)火星附(fu)近的(de)(de)(de)軌(gui)道調(diao)整(zheng)。就像(xiang)一位盡職盡責的(de)(de)(de)快遞小哥。”
近似于真空的(de)太空環(huan)境(jing)暗流涌動，隱藏著(zhu)多種看不見的(de)干擾因素(su)，如星球引力攝動、太陽風、空間輻(fu)射等。為了(le)防止“天問一號”不打招呼(hu)地“跑偏”，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)綜合考慮了(le)各(ge)種因素(su)，進行了(le)大量計(ji)算(suan)，設(she)計(ji)出了(le)一條精密的(de)軌道(dao)，在(zai)發射前上傳至發動機，給它了(le)一份“離線(xian)地圖”。
火(huo)星(xing)的(de)質(zhi)量只有地(di)球的(de)十(shi)分之一，引力遠小(xiao)于地(di)球，探測(ce)器在(zai)(zai)近(jin)火(huo)軌(gui)道必須及時“剎(cha)車”，否(fou)(fou)則(ze)會掠(lve)過(guo)火(huo)星(xing)，這(zhe)就要考驗“快遞小(xiao)哥”剎(cha)車是(shi)否(fou)(fou)踩得(de)穩(wen)、準、狠。在(zai)(zai)此次近(jin)火(huo)制動任務中，3000牛軌(gui)控發動機(ji)快速點(dian)火(huo)啟動，并在(zai)(zai)額定(ding)點(dian)長時間連續穩(wen)定(ding)工(gong)作。
“從2010年立項(xiang)到(dao)2016年定型，發動(dong)機經歷(li)了多項(xiang)考核(he)，充分驗證了各項(xiang)關鍵技術。對于3000牛發動(dong)機，我們充滿信心。”蘭曉輝(hui)說。
火(huo)(huo)星(xing)(xing)是太陽系中距離地(di)(di)球(qiu)較(jiao)近、自然環境與地(di)(di)球(qiu)最為類(lei)似的行(xing)星(xing)(xing)，一直是人類(lei)走出地(di)(di)月系統(tong)開展(zhan)深(shen)空探(tan)測的首選目標。國家航天(tian)局有關負責人表示(shi)，接(jie)下來“天(tian)問一號”將按計劃進行(xing)火(huo)(huo)星(xing)(xing)環繞(rao)、著陸和(he)巡視(shi)，對火(huo)(huo)星(xing)(xing)開展(zhan)全球(qiu)性(xing)、綜合性(xing)的環繞(rao)探(tan)測，在(zai)火(huo)(huo)星(xing)(xing)表面開展(zhan)區域巡視(shi)探(tan)測。
【責任編輯：趙(zhao)藝涵】