文章來源：新華網 發布時間：2021-02-18
2月10日晚間，農歷臘月廿九，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功實施近火制動，開啟環繞火星之旅。此舉也被視為此次火星探測任務的關鍵一步，意味著“天問一號”探測器已經成功被火星引力捕獲。那么，什么是火星捕獲？“天問一號”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
飛行里程4.75億千米、飛行時間長達202天……“天問一號”過五關斬六將，經過地火轉移的漫漫旅途后，終于來到火星附近。
從地球到火星的轉移，是漫長的旅行。火箭發射是整個飛行過程的開始，在發射37分鐘后，探測器與火箭于距離地面670千米的太空中進行分離，探測器至此進入地火轉移軌道，在地火轉移軌道上經歷了200多天的飛行，在地面測控系統的支持下，經過4次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，環繞器逐漸飛近火星，進入火星捕獲段。
火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高的環節之一，由于火星捕獲窗口的唯一性，捕獲的成敗決定了火星探測任務的成敗，這一點火制動過程通常被稱為“踩剎車”。剎車踩早了，探測器速度降得過低，探測器會墜入大氣層撞擊火星；剎車踩晚了，探測器就不能被火星引力捕獲，從而飛離火星。
來自中國航天科技集團八院的專家表示，為了精確把控發動機的開關時機，環繞器在近火捕獲前需要由地面對其進行精確的無線電測定軌，再結合從環繞器上光學自主導航儀器中獲得的導航信息，得到環繞器和火星的精確位置。制動過程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測器處于“捕獲走廊”直至進入環火軌道。
此外，制動過程還需要火星環繞器具備自主應對器上突發故障能力，確保火星捕獲過程開展順利可靠。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕獲段是火星探測器進入火星的引力范圍到最終被火星捕獲的階段，是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一，關系任務的成敗。地外天體捕獲制動是實現月球、火星等深空天體探測任務的關鍵，而捕獲制動控制技術又是決定捕獲制動是否成功的關鍵。
專家介紹，當航天器進入目標天體影響球內，相對目標天體的軌道通常為雙曲線軌道，因此必須進行減速機動，否則將沿著雙曲線軌道飛離目標天體，這一減速機動過程稱為捕獲制動。
此次火星探測任務捕獲期間，探測器距離火星僅400千米，相對火星的速度卻高達4至5千米每秒。捕獲過程中，火星環繞器需準確進行點火制動，如果制動點火時間過長，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星；如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會沿拋物線軌跡飛離火星。
“打個比方，地火轉移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車從火星出口下高速，那就只能多繞一圈、花費數年到下次路過該出口了。”中國航天科技集團八院“天問一號”探測器副總指揮張玉花說。
由于火星探測器從地球飛向火星的過程中能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次，且時間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時探測器距離地球1.92億千米，無線電通信雙向延時達20多分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
剎車制動：穩、準、狠
“在太陽系里，八大行星以太陽為核心公轉，形成了八個環形軌道，其中地球位于‘三環’，火星則在‘四環’。”中國航天科技集團六院11所副總設計師蘭曉輝介紹：“3000牛軌控發動機承擔著三項任務，一是‘三環’轉移到‘四環’過程中的姿態修正，二是‘四環’上的‘剎車制動’，三是火星附近的軌道調整。就像一位盡職盡責的快遞小哥。”
近似于真空的太空環境暗流涌動，隱藏著多種看不見的干擾因素，如星球引力攝動、太陽風、空間輻射等。為了防止“天問一號”不打招呼地“跑偏”，設計人員綜合考慮了各種因素，進行了大量計算，設計出了一條精密的軌道，在發射前上傳至發動機，給它了一份“離線地圖”。
火星的質量只有地球的十分之一，引力遠小于地球，探測器在近火軌道必須及時“剎車”，否則會掠過火星，這就要考驗“快遞小哥”剎車是否踩得穩、準、狠。在此次近火制動任務中，3000牛軌控發動機快速點火啟動，并在額定點長時間連續穩定工作。
“從2010年立項到2016年定型，發動機經歷了多項考核，充分驗證了各項關鍵技術。對于3000牛發動機，我們充滿信心。”蘭曉輝說。
火星是太陽系中距離地球較近、自然環境與地球最為類似的行星，一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。國家航天局有關負責人表示，接下來“天問一號”將按計劃進行火星環繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環繞探測，在火星表面開展區域巡視探測。
【責任編輯：趙藝涵】