“天問一號”探測器實施火星捕獲 計劃5月至6月?lián)駲C(jī)著陸

　　我國首次火星探測任務(wù)環(huán)繞火星成功

　　2月10日19時52分，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器實施近火捕獲制動，環(huán)繞器3000牛軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作約15分鐘，探測器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米，周期約10個地球日，傾角約10°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(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。

　　北京青年報記者從國家航天局了解到，首次火星探測任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)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(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)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(jī)動和4次中途修正，抵達(dá)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。

　　據(jù)悉，后續(xù)“天問一號”還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實施火星著陸，開展巡視探測。

　　據(jù)介紹，火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)動機(jī)長時間點(diǎn)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(jìn)入繞火軌道。作為火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機(jī)會是唯一的，關(guān)系著整個工程任務(wù)的成敗。

　　北青報記者從國家航天局了解到，捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動，只有點(diǎn)火時機(jī)和時長都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。

　　揭秘

　　多項“黑科技”助航天器飛抵火星

　　在“天問一號”順利實施近火制動、完成火星捕獲、準(zhǔn)確進(jìn)入火星軌道的過程中，距離地球1.9億公里的“天問一號”與地球之間的通信延時近11分鐘。地面如何得知火星探測器是否已進(jìn)入正確軌道？其準(zhǔn)確位置在哪里？工作狀態(tài)怎么樣？從地球向其發(fā)出的指令能否正確傳達(dá)并被準(zhǔn)確執(zhí)行？這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)都要靠中國航天科技集團(tuán)的多款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“黑科技”產(chǎn)品。

　　如何確保探測器順利進(jìn)入捕獲走廊？

　　此次火星探測任務(wù)捕獲時，探測器的目標(biāo)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(yù)定時間、預(yù)定高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實施變軌動作。

　　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(dá)到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進(jìn)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(tuán)隊已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù)，完成四次中途修正和一次深空機(jī)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(jìn)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。

　　如何“踩剎車”？

　　制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機(jī)推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標(biāo)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，在高速公路下匝道時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(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、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(jī)，進(jìn)行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，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(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動機(jī)點(diǎn)火期間的擾動，實現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)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(shè)計，充分考慮發(fā)動機(jī)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(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華說。

　　哪些“黑科技”助航天器飛抵火星？

　　火星環(huán)繞器的捕獲制動是本次火星探測任務(wù)的難點(diǎn)之一。火星環(huán)繞器在捕獲火星軌道時，要保證火星環(huán)繞器精確入軌，就需要九院研制的火星環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)加表組合。它能實現(xiàn)對環(huán)繞器的加速度進(jìn)行精確測量，控制系統(tǒng)通過返回參數(shù)控制發(fā)動機(jī)實施制動操作，從而使探測器能夠準(zhǔn)確進(jìn)入火星軌道。

　　在進(jìn)入火星軌道時，探測器需要實施近火制動。此時探測器距離地球近1.9億公里，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時間為1000多秒，屆時通信延時近11分鐘，地面無法對這一制動過程進(jìn)行實時監(jiān)控。這時就該九院自主研制的X頻段深空應(yīng)答機(jī)出場了。為研制這一深空領(lǐng)域國內(nèi)首臺X頻段高靈敏數(shù)字化應(yīng)答機(jī)，研制人員攻克了4億公里地火遠(yuǎn)距離通信技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)難題，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

　　隨著“天問一號”與地球距離的持續(xù)增大，地面接收到的信號變得極其微弱。這對測控通信系統(tǒng)來說是前所未有的考驗。為此，我國自主研制成功了運(yùn)用天線組陣技術(shù)的深空測控系統(tǒng)，用于接收探測器從數(shù)億公里外發(fā)出的信號，同時將地面指揮控制命令發(fā)往探測器。九院為該系統(tǒng)研制了世界一流水平的天線組陣信號采集與數(shù)據(jù)記錄、信號合成及解調(diào)處理設(shè)備兩個關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)備。同時，深空應(yīng)答機(jī)與深空測控天線組陣設(shè)備共同構(gòu)成了火星探測器與地球的唯一信息橋梁，關(guān)系到整個任務(wù)的成敗。

　　鏈接

　　火星最近有點(diǎn)兒“擠”

　　火星近期將變得有點(diǎn)擁擠：美國、中國和阿聯(lián)酋都在2020年7月的地球-火星發(fā)射“窗口期”發(fā)射了火星探測器，三個探測器都計劃于本月抵達(dá)火星。

　　其中，阿聯(lián)酋的“希望號”火星探測器2月9日已經(jīng)進(jìn)入火星軌道，正式開始為期2年的軌道飛行探測活動。與中、美的火星表面探測任務(wù)不同，“希望號”將只是圍繞火星進(jìn)行各項測量工作，研究火星大氣及火星日周期和季節(jié)周期，獲得火星氣候變化的普遍規(guī)律。

　　美國的“毅力號”火星車預(yù)計將于2月18日在火星表面著陸，成為美國在火星上投放的第五輛火星車。目前火星上還有美國“機(jī)遇號”和“勇氣號”兩個火星探測器在工作，美國通過這兩個火星探測器獲得了豐富的火星數(shù)據(jù)。據(jù)外媒報道，“毅力號”將直接在火星杰澤羅隕石坑實施軟著陸，目標(biāo)是尋找火星上的生命跡象，并采集火星地質(zhì)樣本。

　　中國的“天問一號”也有火星登陸器和火星探測車的活動。“天問一號”在環(huán)繞火星軌道飛行一段時間后，計劃于今年5月至6月?lián)駲C(jī)實施火星著陸，開展巡視探測。