2月10日晚間，農歷臘月廿九，我國首次火星探測任務(wù)“天問(wèn)一號”探測器成功實(shí)施近火制動(dòng)，開(kāi)啟環(huán)繞火星之旅。此舉也被視為此次火星探測任務(wù)的關(guān)鍵一步，意味著(zhù)“天問(wèn)一號”探測器已經(jīng)成功被火星引力捕獲。那么，什么是火星捕獲？“天問(wèn)一號”經(jīng)歷了怎樣的奔火之旅？
出個(gè)遠門(mén)：“天問(wèn)一號”已經(jīng)離家200多天
飛行里程4.75億千米、飛行時(shí)間長(cháng)達202天……“天問(wèn)一號”過(guò)五關(guān)斬六將，經(jīng)過(guò)地火轉移的漫漫旅途后，終于來(lái)到火星附近。
從地球到火星的轉移，是漫長(cháng)的旅行?；鸺l(fā)射是整個(gè)飛行過(guò)程的開(kāi)始，在發(fā)射37分鐘后，探測器與火箭于距離地面670千米的太空中進(jìn)行分離，探測器至此進(jìn)入地火轉移軌道，在地火轉移軌道上經(jīng)歷了200多天的飛行，在地面測控系統的支持下，經(jīng)過(guò)4次中途修正和1次深空機動(dòng)修正飛行路徑，環(huán)繞器逐漸飛近火星，進(jìn)入火星捕獲段。
火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高的環(huán)節之一，由于火星捕獲窗口的唯一性，捕獲的成敗決定了火星探測任務(wù)的成敗，這一點(diǎn)火制動(dòng)過(guò)程通常被稱(chēng)為“踩剎車(chē)”。剎車(chē)踩早了，探測器速度降得過(guò)低，探測器會(huì )墜入大氣層撞擊火星；剎車(chē)踩晚了，探測器就不能被火星引力捕獲，從而飛離火星。
來(lái)自中國航天科技集團八院的專(zhuān)家表示，為了精確把控發(fā)動(dòng)機的開(kāi)關(guān)時(shí)機，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進(jìn)行精確的無(wú)線(xiàn)電測定軌，再結合從環(huán)繞器上光學(xué)自主導航儀器中獲得的導航信息，得到環(huán)繞器和火星的精確位置。制動(dòng)過(guò)程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測器處于“捕獲走廊”直至進(jìn)入環(huán)火軌道。
此外，制動(dòng)過(guò)程還需要火星環(huán)繞器具備自主應對器上突發(fā)故障能力，確?；鹦遣东@過(guò)程開(kāi)展順利可靠。
火星捕獲：機會(huì )只有一次、時(shí)間僅30分鐘
捕獲段是火星探測器進(jìn)入火星的引力范圍到最終被火星捕獲的階段，是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為重要的環(huán)節之一，關(guān)系任務(wù)的成敗。地外天體捕獲制動(dòng)是實(shí)現月球、火星等深空天體探測任務(wù)的關(guān)鍵，而捕獲制動(dòng)控制技術(shù)又是決定捕獲制動(dòng)是否成功的關(guān)鍵。
專(zhuān)家介紹，當航天器進(jìn)入目標天體影響球內，相對目標天體的軌道通常為雙曲線(xiàn)軌道，因此必須進(jìn)行減速機動(dòng)，否則將沿著(zhù)雙曲線(xiàn)軌道飛離目標天體，這一減速機動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為捕獲制動(dòng)。
此次火星探測任務(wù)捕獲期間，探測器距離火星僅400千米，相對火星的速度卻高達4至5千米每秒。捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器需準確進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)長(cháng)，探測器速度下降過(guò)多，探測器就會(huì )一頭撞上火星；如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)短，探測器速度過(guò)快，就會(huì )沿拋物線(xiàn)軌跡飛離火星。
“打個(gè)比方，地火轉移軌道就像是一條以太陽(yáng)為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個(gè)出口，一旦探測器不能及時(shí)剎車(chē)從火星出口下高速，那就只能多繞一圈、花費數年到下次路過(guò)該出口了?！敝袊教炜萍技瘓F八院“天問(wèn)一號”探測器副總指揮張玉花說(shuō)。
由于火星探測器從地球飛向火星的過(guò)程中能夠被火星引力所捕獲的機會(huì )只有一次，且時(shí)間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時(shí)探測器距離地球1.92億千米，無(wú)線(xiàn)電通信雙向延時(shí)達20多分鐘，地面無(wú)法對這一制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
剎車(chē)制動(dòng)：穩、準、狠
“在太陽(yáng)系里，八大行星以太陽(yáng)為核心公轉，形成了八個(gè)環(huán)形軌道，其中地球位于‘三環(huán)’，火星則在‘四環(huán)’?！敝袊教炜萍技瘓F六院11所副總設計師蘭曉輝介紹：“3000牛軌控發(fā)動(dòng)機承擔著(zhù)三項任務(wù)，一是‘三環(huán)’轉移到‘四環(huán)’過(guò)程中的姿態(tài)修正，二是‘四環(huán)’上的‘剎車(chē)制動(dòng)’，三是火星附近的軌道調整。就像一位盡職盡責的快遞小哥?！?
近似于真空的太空環(huán)境暗流涌動(dòng)，隱藏著(zhù)多種看不見(jiàn)的干擾因素，如星球引力攝動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)、空間輻射等。為了防止“天問(wèn)一號”不打招呼地“跑偏”，設計人員綜合考慮了各種因素，進(jìn)行了大量計算，設計出了一條精密的軌道，在發(fā)射前上傳至發(fā)動(dòng)機，給它了一份“離線(xiàn)地圖”。
火星的質(zhì)量只有地球的十分之一，引力遠小于地球，探測器在近火軌道必須及時(shí)“剎車(chē)”，否則會(huì )掠過(guò)火星，這就要考驗“快遞小哥”剎車(chē)是否踩得穩、準、狠。在此次近火制動(dòng)任務(wù)中，3000牛軌控發(fā)動(dòng)機快速點(diǎn)火啟動(dòng)，并在額定點(diǎn)長(cháng)時(shí)間連續穩定工作。
“從2010年立項到2016年定型，發(fā)動(dòng)機經(jīng)歷了多項考核，充分驗證了各項關(guān)鍵技術(shù)。對于3000牛發(fā)動(dòng)機，我們充滿(mǎn)信心?！碧m曉輝說(shuō)。
火星是太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類(lèi)似的行星，一直是人類(lèi)走出地月系統開(kāi)展深空探測的首選目標。國家航天局有關(guān)負責人表示，接下來(lái)“天問(wèn)一號”將按計劃進(jìn)行火星環(huán)繞、著(zhù)陸和巡視，對火星開(kāi)展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開(kāi)展區域巡視探測。