文章來源(yuan)：新(xin)華網(wang) 發布時間：2022-02-18
2月(yue)10日晚(wan)間，農歷(li)臘(la)月(yue)廿九(jiu)，我國首次火(huo)(huo)星(xing)(xing)探(tan)測任(ren)(ren)務(wu)“天(tian)問(wen)一(yi)號”探(tan)測器成功實施近火(huo)(huo)制動(dong)，開(kai)啟環(huan)繞火(huo)(huo)星(xing)(xing)之旅。此舉也被視(shi)為此次火(huo)(huo)星(xing)(xing)探(tan)測任(ren)(ren)務(wu)的(de)關鍵一(yi)步，意(yi)味著“天(tian)問(wen)一(yi)號”探(tan)測器已(yi)經成功被火(huo)(huo)星(xing)(xing)引力捕(bu)獲。那么(me)，什么(me)是(shi)火(huo)(huo)星(xing)(xing)捕(bu)獲？“天(tian)問(wen)一(yi)號”經歷(li)了(le)怎樣的(de)奔火(huo)(huo)之旅？
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(mi)、飛(fei)行時間長達202天(tian)……“天(tian)問一號”過(guo)五關斬六將，經過(guo)地火轉移的漫(man)漫(man)旅途后，終(zhong)于來到火星(xing)附近(jin)。
從(cong)地(di)球到火(huo)星(xing)的(de)轉(zhuan)移，是(shi)漫長(chang)的(de)旅行(xing)。火(huo)箭(jian)發射是(shi)整個(ge)飛(fei)行(xing)過程的(de)開(kai)始，在發射37分(fen)鐘后，探測(ce)器(qi)與火(huo)箭(jian)于(yu)距離(li)地(di)面(mian)670千(qian)米的(de)太(tai)空中進(jin)(jin)行(xing)分(fen)離(li)，探測(ce)器(qi)至此進(jin)(jin)入地(di)火(huo)轉(zhuan)移軌道，在地(di)火(huo)轉(zhuan)移軌道上經歷了(le)200多天的(de)飛(fei)行(xing)，在地(di)面(mian)測(ce)控系統(tong)的(de)支(zhi)持下，經過4次(ci)中途修(xiu)正和1次(ci)深空機(ji)動修(xiu)正飛(fei)行(xing)路徑(jing)，環繞器(qi)逐漸(jian)飛(fei)近火(huo)星(xing)，進(jin)(jin)入火(huo)星(xing)捕(bu)獲段。
火(huo)星(xing)捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)是火(huo)星(xing)探(tan)(tan)測(ce)(ce)任務中技(ji)術風險最高(gao)的(de)(de)環節之一，由于火(huo)星(xing)捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)窗口的(de)(de)唯一性，捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)成(cheng)敗決定了(le)火(huo)星(xing)探(tan)(tan)測(ce)(ce)任務的(de)(de)成(cheng)敗，這一點火(huo)制動過程通(tong)常被稱為(wei)“踩剎車(che)”。剎車(che)踩早了(le)，探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)速度降得(de)過低，探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)會墜(zhui)入大氣層(ceng)撞擊(ji)火(huo)星(xing)；剎車(che)踩晚(wan)了(le)，探(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)就不(bu)能被火(huo)星(xing)引力捕(bu)(bu)獲(huo)(huo)，從而飛離火(huo)星(xing)。
來自中國航天(tian)科技集團八院(yuan)的專(zhuan)家表示，為(wei)了(le)精(jing)確把控發動(dong)機的開(kai)關時機，環繞(rao)器在近火捕(bu)(bu)獲(huo)前需要由地面對其進(jin)(jin)行精(jing)確的無線電測定(ding)軌，再結(jie)合(he)從環繞(rao)器上光學自主導航儀(yi)器中獲(huo)得的導航信息，得到(dao)環繞(rao)器和火星(xing)的精(jing)確位(wei)置(zhi)。制動(dong)過程中，依靠可靠的捕(bu)(bu)獲(huo)策略，確保探(tan)測器處于“捕(bu)(bu)獲(huo)走廊”直至進(jin)(jin)入環火軌道。
此外(wai)，制動(dong)過程還需要火星環繞(rao)器具備自主應對器上突(tu)發故障能力(li)，確保火星捕獲過程開展(zhan)順利(li)可靠(kao)。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕(bu)獲(huo)(huo)段(duan)(duan)是火星(xing)探測(ce)器進入火星(xing)的(de)(de)引力范圍到(dao)最(zui)(zui)終(zhong)被火星(xing)捕(bu)獲(huo)(huo)的(de)(de)階段(duan)(duan)，是火星(xing)探測(ce)任(ren)務(wu)(wu)中技術風(feng)險最(zui)(zui)高、最(zui)(zui)為重要的(de)(de)環節之一(yi)，關系任(ren)務(wu)(wu)的(de)(de)成(cheng)敗。地外天(tian)體捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動是實現月(yue)球、火星(xing)等深(shen)空(kong)天(tian)體探測(ce)任(ren)務(wu)(wu)的(de)(de)關鍵，而捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動控(kong)制(zhi)(zhi)技術又是決定捕(bu)獲(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動是否成(cheng)功的(de)(de)關鍵。
專家介紹，當航天(tian)(tian)(tian)器進入目(mu)標(biao)(biao)天(tian)(tian)(tian)體影響(xiang)球內(nei)，相對目(mu)標(biao)(biao)天(tian)(tian)(tian)體的軌道(dao)(dao)通常為雙(shuang)曲線(xian)(xian)軌道(dao)(dao)，因(yin)此必須進行減速機動，否則將沿(yan)著雙(shuang)曲線(xian)(xian)軌道(dao)(dao)飛(fei)離目(mu)標(biao)(biao)天(tian)(tian)(tian)體，這一(yi)減速機動過程稱為捕(bu)獲制動。
此次火(huo)(huo)星(xing)(xing)探(tan)測任務捕獲期間，探(tan)測器(qi)距離火(huo)(huo)星(xing)(xing)僅400千米，相對火(huo)(huo)星(xing)(xing)的速度卻(que)高達(da)4至5千米每秒。捕獲過程中，火(huo)(huo)星(xing)(xing)環繞器(qi)需準確進行點(dian)火(huo)(huo)制(zhi)動(dong)，如(ru)果制(zhi)動(dong)點(dian)火(huo)(huo)時(shi)間過長，探(tan)測器(qi)速度下(xia)降(jiang)過多，探(tan)測器(qi)就會一頭撞上火(huo)(huo)星(xing)(xing)；如(ru)果制(zhi)動(dong)點(dian)火(huo)(huo)時(shi)間過短，探(tan)測器(qi)速度過快，就會沿拋物(wu)線軌(gui)跡飛離火(huo)(huo)星(xing)(xing)。
“打個比方，地火(huo)轉移軌道就像是(shi)一(yi)條以太陽為中心(xin)的橢圓形閉環高(gao)速，火(huo)星(xing)只(zhi)是(shi)這條高(gao)速上(shang)的一(yi)個出(chu)口(kou)，一(yi)旦探(tan)測(ce)器(qi)不能(neng)及時剎車(che)從火(huo)星(xing)出(chu)口(kou)下高(gao)速，那就只(zhi)能(neng)多繞一(yi)圈、花費數(shu)年到下次(ci)路過該(gai)出(chu)口(kou)了。”中國(guo)航(hang)天(tian)科技集團(tuan)八院“天(tian)問一(yi)號”探(tan)測(ce)器(qi)副總指揮張玉花說(shuo)。
由于火(huo)星探(tan)測(ce)器(qi)從地球(qiu)(qiu)飛向火(huo)星的過程中(zhong)能(neng)夠被(bei)火(huo)星引力所捕獲的機會(hui)只(zhi)有一次，且時間僅30分鐘(zhong)左右，不(bu)能(neng)中(zhong)斷(duan)；捕獲時探(tan)測(ce)器(qi)距離(li)地球(qiu)(qiu)1.92億(yi)千(qian)米(mi)，無(wu)線電通(tong)信雙向延時達20多(duo)分鐘(zhong)，地面無(wu)法對這一制動過程進行(xing)實時監控(kong)，只(zhi)能(neng)依靠探(tan)測(ce)器(qi)自主(zhu)執(zhi)行(xing)捕獲策略。
剎車制動：穩、準、狠
“在(zai)太(tai)陽(yang)系里，八大行(xing)星以太(tai)陽(yang)為核心公轉，形成了八個環形軌道(dao)，其中地球位于‘三(san)(san)環’，火星則在(zai)‘四環’。”中國(guo)航天科(ke)技集團六院11所副(fu)總設計(ji)師蘭(lan)曉輝(hui)介紹：“3000牛(niu)軌控發動機承擔著三(san)(san)項任務(wu)，一(yi)是‘三(san)(san)環’轉移到‘四環’過程中的姿(zi)態修正，二(er)是‘四環’上的‘剎車制動’，三(san)(san)是火星附近的軌道(dao)調整。就像一(yi)位盡職盡責的快遞(di)小哥。”
近(jin)似于真(zhen)空的(de)太(tai)空環(huan)境暗流涌動(dong)，隱藏著(zhu)多種(zhong)看(kan)不(bu)見的(de)干擾(rao)因(yin)素(su)，如星球引力攝動(dong)、太(tai)陽風、空間(jian)輻射(she)等。為(wei)了防止“天問一(yi)號”不(bu)打招呼地“跑偏”，設計人員綜合考慮了各種(zhong)因(yin)素(su)，進行了大量計算，設計出了一(yi)條精密(mi)的(de)軌道(dao)，在發(fa)射(she)前(qian)上傳至(zhi)發(fa)動(dong)機，給它了一(yi)份(fen)“離線地圖(tu)”。
火星的質量只有地(di)球的十(shi)分之一，引力遠小于地(di)球，探(tan)測器在(zai)近火軌(gui)道必(bi)須及(ji)時“剎車”，否則會掠過火星，這就要考驗“快遞小哥”剎車是(shi)否踩得穩、準、狠(hen)。在(zai)此次近火制(zhi)動任務中(zhong)，3000牛軌(gui)控發動機快速(su)點(dian)火啟(qi)動，并在(zai)額定(ding)點(dian)長時間連續穩定(ding)工作(zuo)。
“從2010年(nian)立(li)項到2016年(nian)定型，發動機(ji)經(jing)歷了多(duo)項考核，充分驗證了各項關鍵技術。對(dui)于3000牛發動機(ji)，我(wo)們(men)充滿信(xin)心。”蘭曉(xiao)輝說。
火(huo)(huo)(huo)星是(shi)太陽(yang)系(xi)中距離地球(qiu)(qiu)較近、自然環境(jing)與地球(qiu)(qiu)最為類(lei)似的(de)行星，一(yi)直是(shi)人(ren)類(lei)走出地月系(xi)統(tong)開(kai)展深空探(tan)測(ce)(ce)的(de)首選目標。國家航天(tian)局有關負責人(ren)表示(shi)，接(jie)下來“天(tian)問一(yi)號(hao)”將按計劃(hua)進行火(huo)(huo)(huo)星環繞、著陸和巡視，對火(huo)(huo)(huo)星開(kai)展全球(qiu)(qiu)性、綜合性的(de)環繞探(tan)測(ce)(ce)，在火(huo)(huo)(huo)星表面開(kai)展區域巡視探(tan)測(ce)(ce)。
【責任編(bian)輯：趙藝涵】