據(jù)人民日報客戶端，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(huán)繞器3000N軌控發(fā)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10o的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標，環(huán)繞火星獲得成功。

首次火星探測任務由地火轉(zhuǎn)移階段進入火星捕獲階段后，天問一號環(huán)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(xù)開始工作，對火星開展多維度探測。

自2020年7月23日成功發(fā)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(tǒng)狀態(tài)良好。后續(xù)天問一號還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區(qū)探測，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C實施火星著陸，開展巡視探測。

什么是火星捕獲制動？這腳“剎車”有多難？解答來了

據(jù)新華社，2月10日晚間，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(huán)繞火星之旅。此次“天問一號”火星捕獲制動的成功，標志著我國首次火星探測任務“繞、落、巡”三大目標中的“環(huán)繞”目標順利達成，為后續(xù)著陸、巡視任務的實施奠定了基礎。

一分鐘領略“天問一號”環(huán)繞火星。視頻來源：航天科技集團八院

什么是火星捕獲制動？

火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)動機長時間點火，使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場捕獲，進入繞火軌道。作為火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機會是唯一的，關系著整個工程任務的成敗。

捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。

此次火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統(tǒng)的深空測控網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號，經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測器能夠在預定時間、預定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。

在捕獲制動過程中，“天問一號”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。

自2020年7月23日發(fā)射以來，研制團隊已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務，完成四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。

近火制動示意圖。來源：航天科技集團五院

這腳“火星剎車”，厲害！

制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？面對這一難題，“天問一號”交出了一份高分答卷。

開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成“剎車”。理論上，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現(xiàn)過程中，仍會遇到不少問題。

火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動機，進行引力捕獲時的制動減速控制?；鹦且Σ东@窗口有限，要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發(fā)動機點火和關機，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。

“在失去地面實時測控的環(huán)境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。”中國航天科技集團八院環(huán)繞器副總設計師朱慶華說。

2020年7月23日，“天問一號”探測器發(fā)射升空。新華社記者 郭程 攝

0.3%的影響也絕不忽視

在研制過程中，一次半物理仿真試驗，探測器的捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差，這使得研制團隊高度緊張。設計方案已經(jīng)考慮了探測器燃料消耗引起的質(zhì)量變化，也考慮了推力方向偏移造成的姿態(tài)干擾等多種可能因素，為什么精度還是不夠呢？

研制團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動前的“沉底”時間過長，對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。

專家介紹，所謂“沉底”就是在主發(fā)動機推力減速前，先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作，通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發(fā)動機工作。

研制團隊迅速對這一過程進行精確量化分析，將沉底工作過程的推力減小，并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機關機時間的計算中，通過方案優(yōu)化和進一步仿真驗證，捕獲制動精度有了顯著提升。

為了確保這次關鍵“剎車”可靠完成，研制團隊在四年攻關過程中，不斷對方案進行優(yōu)化完善。中國航天科技集團八院環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)品保證師劉宇說：“我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務進行仿真，仿真結果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合?！?

目前，具備自主控制能力的火星探測器已成功實施捕獲制動，讓我們共同期待后續(xù)的探火新發(fā)現(xiàn)吧。