文章來源：新華網 發(fa)布(bu)時間(jian)：2022-02-18
2月(yue)(yue)10日晚間(jian)，農歷臘月(yue)(yue)廿九(jiu)，我國首次火(huo)星(xing)探測任務“天問(wen)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”探測器(qi)成(cheng)功(gong)實(shi)施(shi)近火(huo)制動，開啟環繞(rao)火(huo)星(xing)之旅(lv)。此舉也被視為此次火(huo)星(xing)探測任務的關鍵一(yi)(yi)(yi)步，意味著“天問(wen)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”探測器(qi)已經(jing)成(cheng)功(gong)被火(huo)星(xing)引力捕獲。那么(me)，什么(me)是火(huo)星(xing)捕獲？“天問(wen)一(yi)(yi)(yi)號(hao)”經(jing)歷了怎(zen)樣的奔火(huo)之旅(lv)？
出個遠門：“天問一號”已經離家200多天
飛(fei)行里程4.75億千(qian)米、飛(fei)行時間長達202天……“天問一號”過五關斬六將，經過地火(huo)(huo)轉移的漫漫旅途后，終于來到火(huo)(huo)星附近(jin)。
從地球(qiu)到火星的轉移，是漫長的旅行(xing)。火箭(jian)發射是整(zheng)個飛行(xing)過程的開始，在(zai)(zai)發射37分鐘后，探測器與(yu)火箭(jian)于距離地面(mian)670千米的太空中進行(xing)分離，探測器至此進入(ru)地火轉移軌(gui)道，在(zai)(zai)地火轉移軌(gui)道上經歷了200多天的飛行(xing)，在(zai)(zai)地面(mian)測控系統的支持下，經過4次(ci)(ci)中途(tu)修正(zheng)和1次(ci)(ci)深空機(ji)動修正(zheng)飛行(xing)路徑，環(huan)繞器逐漸(jian)飛近(jin)火星，進入(ru)火星捕(bu)獲段。
火(huo)(huo)星(xing)(xing)捕獲是(shi)火(huo)(huo)星(xing)(xing)探(tan)(tan)(tan)測(ce)任務中技(ji)術風險最高的(de)環節之(zhi)一(yi)，由(you)于(yu)火(huo)(huo)星(xing)(xing)捕獲窗口的(de)唯(wei)一(yi)性，捕獲的(de)成(cheng)敗決定了火(huo)(huo)星(xing)(xing)探(tan)(tan)(tan)測(ce)任務的(de)成(cheng)敗，這一(yi)點(dian)火(huo)(huo)制動過程通常被稱為“踩剎車”。剎車踩早了，探(tan)(tan)(tan)測(ce)器(qi)速度降得(de)過低，探(tan)(tan)(tan)測(ce)器(qi)會墜入(ru)大氣層撞擊火(huo)(huo)星(xing)(xing)；剎車踩晚了，探(tan)(tan)(tan)測(ce)器(qi)就不能被火(huo)(huo)星(xing)(xing)引力捕獲，從(cong)而(er)飛離(li)火(huo)(huo)星(xing)(xing)。
來自(zi)中國航(hang)天科技集團八院(yuan)的(de)(de)專(zhuan)家(jia)表示(shi)，為了精確(que)(que)(que)把(ba)控發動(dong)機(ji)的(de)(de)開關時機(ji)，環(huan)(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)在近火捕獲前需要由地面對(dui)其進行精確(que)(que)(que)的(de)(de)無線電測定軌，再結合從環(huan)(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)上光學自(zi)主導(dao)航(hang)儀器(qi)(qi)(qi)(qi)中獲得的(de)(de)導(dao)航(hang)信息(xi)，得到環(huan)(huan)繞(rao)器(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)火星(xing)的(de)(de)精確(que)(que)(que)位置。制動(dong)過(guo)程中，依靠可靠的(de)(de)捕獲策略，確(que)(que)(que)保探測器(qi)(qi)(qi)(qi)處(chu)于“捕獲走廊(lang)”直至進入環(huan)(huan)火軌道(dao)。
此外，制動過程還(huan)需要火星環繞器具(ju)備自主應對器上(shang)突發(fa)故障能力，確保火星捕獲過程開展(zhan)順利可(ke)靠。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕(bu)獲(huo)(huo)段是火星(xing)探(tan)測(ce)器進入(ru)火星(xing)的引力范圍(wei)到最終被(bei)火星(xing)捕(bu)獲(huo)(huo)的階段，是火星(xing)探(tan)測(ce)任(ren)務中技(ji)術(shu)風險最高、最為(wei)重要的環節之一，關系任(ren)務的成(cheng)敗。地外天體(ti)捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動(dong)是實現月球、火星(xing)等(deng)深空天體(ti)探(tan)測(ce)任(ren)務的關鍵(jian)，而(er)捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動(dong)控制(zhi)(zhi)技(ji)術(shu)又是決定捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動(dong)是否成(cheng)功的關鍵(jian)。
專家介紹，當航天(tian)器進(jin)入目(mu)(mu)標天(tian)體(ti)影響球內，相對目(mu)(mu)標天(tian)體(ti)的(de)軌(gui)(gui)道通常為雙曲線軌(gui)(gui)道，因(yin)此必須(xu)進(jin)行減速(su)機動，否則將沿著雙曲線軌(gui)(gui)道飛離(li)目(mu)(mu)標天(tian)體(ti)，這一(yi)減速(su)機動過程(cheng)稱為捕(bu)獲制動。
此次火(huo)星(xing)探(tan)測任務捕獲期間，探(tan)測器(qi)(qi)距離(li)火(huo)星(xing)僅(jin)400千(qian)米，相對火(huo)星(xing)的速度卻高達4至(zhi)5千(qian)米每秒。捕獲過程中，火(huo)星(xing)環(huan)繞器(qi)(qi)需(xu)準確進行點火(huo)制動(dong)，如果制動(dong)點火(huo)時間過長(chang)，探(tan)測器(qi)(qi)速度下降過多，探(tan)測器(qi)(qi)就(jiu)會(hui)(hui)一頭(tou)撞上火(huo)星(xing)；如果制動(dong)點火(huo)時間過短，探(tan)測器(qi)(qi)速度過快，就(jiu)會(hui)(hui)沿拋物線軌(gui)跡飛離(li)火(huo)星(xing)。
“打個(ge)比方，地火轉(zhuan)移軌道就(jiu)像是(shi)一(yi)(yi)(yi)條(tiao)以太(tai)陽為中心的橢圓形閉環高(gao)速(su)，火星只是(shi)這條(tiao)高(gao)速(su)上的一(yi)(yi)(yi)個(ge)出(chu)口(kou)，一(yi)(yi)(yi)旦探(tan)測(ce)器(qi)不(bu)能及時(shi)剎車從火星出(chu)口(kou)下高(gao)速(su)，那(nei)就(jiu)只能多(duo)繞一(yi)(yi)(yi)圈、花費(fei)數年到下次路過(guo)該出(chu)口(kou)了。”中國(guo)航天科技集團八院“天問一(yi)(yi)(yi)號”探(tan)測(ce)器(qi)副(fu)總指揮(hui)張(zhang)玉花說。
由(you)于火(huo)星探(tan)測器(qi)從地(di)球飛向(xiang)火(huo)星的過程(cheng)中能夠(gou)被(bei)火(huo)星引力所捕獲的機會(hui)只有一次，且(qie)時間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時探(tan)測器(qi)距離地(di)球1.92億(yi)千米(mi)，無線電(dian)通信雙向(xiang)延時達20多(duo)分鐘，地(di)面無法對這一制動(dong)過程(cheng)進行(xing)實時監(jian)控，只能依靠探(tan)測器(qi)自主執行(xing)捕獲策略。
剎車制動：穩、準、狠
“在太陽系里，八大行星(xing)以太陽為核心公(gong)轉(zhuan)，形成了八個環(huan)(huan)形軌道，其(qi)中(zhong)地球位于‘三(san)環(huan)(huan)’，火星(xing)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牛軌控(kong)發動機承擔著三(san)項任(ren)務，一(yi)是(shi)‘三(san)環(huan)(huan)’轉(zhuan)移到‘四(si)環(huan)(huan)’過程中(zhong)的姿態修正，二是(shi)‘四(si)環(huan)(huan)’上的‘剎車(che)制動’，三(san)是(shi)火星(xing)附近的軌道調整。就像一(yi)位盡職盡責的快(kuai)遞小哥。”
近(jin)似于真(zhen)空的(de)(de)太(tai)空環境暗流涌動(dong)(dong)，隱藏著(zhu)多(duo)種看不(bu)(bu)見(jian)的(de)(de)干擾因(yin)(yin)素(su)，如星(xing)球(qiu)引力攝動(dong)(dong)、太(tai)陽風、空間輻射(she)等(deng)。為了(le)防止“天問一(yi)(yi)號”不(bu)(bu)打招呼地(di)“跑(pao)偏”，設計(ji)(ji)人(ren)員綜合考慮了(le)各種因(yin)(yin)素(su)，進行了(le)大量計(ji)(ji)算，設計(ji)(ji)出了(le)一(yi)(yi)條精密(mi)的(de)(de)軌道，在發射(she)前上傳至(zhi)發動(dong)(dong)機，給它了(le)一(yi)(yi)份“離線地(di)圖”。
火星的質量只有地球的十分之一(yi)，引(yin)力遠(yuan)小于(yu)地球，探測器在(zai)近火軌道(dao)必須及(ji)時(shi)“剎車”，否則(ze)會(hui)掠過火星，這就要(yao)考(kao)驗“快(kuai)(kuai)遞小哥”剎車是否踩得穩、準、狠。在(zai)此(ci)次近火制動任務中，3000牛軌控發動機快(kuai)(kuai)速點火啟動，并(bing)在(zai)額定(ding)點長時(shi)間連續穩定(ding)工作。
“從2010年立項(xiang)(xiang)到2016年定型，發(fa)動(dong)機經歷(li)了多項(xiang)(xiang)考核，充(chong)(chong)分驗(yan)證了各項(xiang)(xiang)關鍵技術。對(dui)于3000牛發(fa)動(dong)機，我們充(chong)(chong)滿信心。”蘭曉輝說(shuo)。
火星(xing)是太陽系(xi)中距離(li)地(di)球較近、自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)與地(di)球最為類似的(de)行星(xing)，一直是人類走出地(di)月(yue)系(xi)統開(kai)(kai)展深空探(tan)測(ce)(ce)的(de)首選目標。國(guo)家航(hang)天局有關(guan)負責(ze)人表(biao)示，接下(xia)來“天問一號(hao)”將按(an)計(ji)劃進行火星(xing)環(huan)繞、著陸和巡(xun)視，對火星(xing)開(kai)(kai)展全球性、綜(zong)合(he)性的(de)環(huan)繞探(tan)測(ce)(ce)，在火星(xing)表(biao)面開(kai)(kai)展區域巡(xun)視探(tan)測(ce)(ce)。
【責任編(bian)輯(ji)：趙藝涵】