2021年2月10日19時(shí)52分，中國(guó)航天再次迎來(lái)一個(gè)歷史性時(shí)刻。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)七個(gè)月，累計(jì)202天，4.75億公里的漫長(zhǎng)飛行之后，中國(guó)首顆火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)” 精準(zhǔn)實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，成功進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米，周期約10個(gè)地球日，傾角約10º的大橢圓環(huán)火軌道，中國(guó)的航天探測(cè)器首次到達(dá)火星！

“天問(wèn)一號(hào)“上的分離測(cè)量傳感器拍攝的”天問(wèn)一號(hào)“在太空中的美妙身姿。

難度極大，一把定輸贏

火星制動(dòng)捕獲，顧名思義就是高速“行駛”的火星探測(cè)器在靠近火星時(shí)，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火“踩一腳剎車”，使得探測(cè)器以大速度增量減速，從而能夠被火星的引力場(chǎng)所捕獲，使得探測(cè)器能夠順利進(jìn)入繞火軌道。

火星制動(dòng)捕獲堪稱是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。因?yàn)橹苿?dòng)捕獲的機(jī)會(huì)是唯一的，維系著整個(gè)探火任務(wù)的成敗。

探測(cè)器在捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器需要精確地進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，只有點(diǎn)火時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。如果探測(cè)器“剎車”太晚或是“剎車”時(shí)長(zhǎng)不夠，就會(huì)飛越火星繼續(xù)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，耗費(fèi)數(shù)年時(shí)間等待下一個(gè)“制動(dòng)窗口”。而探測(cè)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(guó)、日本的火星探測(cè)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(hào)探測(cè)器在距離火星表面2200公里處由于制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)失效而沒(méi)有切入火星軌道，最終飛越火星。1999年，美國(guó)的火星氣候軌道器星在實(shí)施火星制動(dòng)捕獲時(shí)，因軌道高度比設(shè)計(jì)值偏低，最終導(dǎo)致探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層而被燒毀。而在2020年，日本的“希望號(hào)”火星探測(cè)器因?yàn)樘綔y(cè)器上的通信和電子系統(tǒng)損壞，從而無(wú)法順利實(shí)施制動(dòng)捕獲未能進(jìn)入環(huán)火軌道。

此外，2010年12月，日本的“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器也是倒在了“制動(dòng)環(huán)節(jié)”，“拂曉號(hào)”金星探測(cè)器的發(fā)動(dòng)機(jī)由于故障未能及時(shí)完成金星捕獲制動(dòng)，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(shí)它已經(jīng)接近壽命末期。

據(jù)了解，于今晚成功實(shí)施火星制動(dòng)捕獲的中國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)” 探測(cè)器，目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400km，在實(shí)施火星制動(dòng)捕獲的時(shí)候稍有不慎就會(huì)撞擊火星或飛離火星。“天問(wèn)一號(hào)”在靠近火星時(shí)的速度已高達(dá)28km/s，想要被火星引力場(chǎng)所捕獲，就要求探測(cè)器配置的1臺(tái)3000N的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，在“捕獲窗口”對(duì)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(shí)時(shí)操控入軌的方式不同的是，“天問(wèn)一號(hào)”在火星制動(dòng)捕獲過(guò)程中，探測(cè)器距離地球達(dá)1.92億公里，地球與“天問(wèn)一號(hào)”之間數(shù)據(jù)通信的單向時(shí)間延遲超過(guò)10.7分鐘，因此，在“分秒必爭(zhēng)”的制動(dòng)過(guò)程中，“天問(wèn)一號(hào)”必須完全依靠自身完成發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。

為了確保了“天問(wèn)一號(hào)”能夠完美實(shí)施火星制動(dòng)捕獲，負(fù)責(zé)研制“天問(wèn)一號(hào)”的中國(guó)航天科技集團(tuán)科研團(tuán)隊(duì)專門為“天問(wèn)一號(hào)”設(shè)計(jì)了器務(wù)自主管理器雙大腦、姿軌控計(jì)算機(jī)三核心、測(cè)控通信多通道切換策略、發(fā)動(dòng)機(jī)雙關(guān)機(jī)策略以及3000N和120N發(fā)動(dòng)機(jī)兩重保險(xiǎn)等多項(xiàng)技術(shù)，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性。

未來(lái)步步驚心，每一步都將創(chuàng)造歷史

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

隨后，”天問(wèn)一號(hào)“探測(cè)器在幾個(gè)月內(nèi)還將進(jìn)行多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，計(jì)劃于2021年5月實(shí)施火星探測(cè)之旅中的另一項(xiàng)關(guān)鍵動(dòng)作——環(huán)繞器和著陸巡視器“兩器分離”，最終將實(shí)現(xiàn)火星著陸，開展巡視探測(cè)。

據(jù)了解，接下來(lái)的“兩器分離”環(huán)節(jié)需要探測(cè)器在約3個(gè)小時(shí)內(nèi)首先變軌到存在撞擊火星風(fēng)險(xiǎn)的軌道上，建立并保持著陸器進(jìn)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(shí)刻，環(huán)繞器與著陸器必須迅速完成分離，在經(jīng)過(guò)安全距離飄飛過(guò)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(guò)程中，無(wú)論是“降軌”還是“升軌”都需要對(duì)時(shí)間有精準(zhǔn)的把控，太早難以保證著陸器進(jìn)入精度，太晚則會(huì)造成環(huán)繞器撞擊火星的風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)“器器分離”環(huán)節(jié)頗具看點(diǎn)，值得期待。

“天問(wèn)一號(hào)“上的分離測(cè)量傳感器拍攝的”天問(wèn)一號(hào)“上的國(guó)旗。

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