文章(zhang)來源：新華網 發布時間：2022-02-18
2月10日晚(wan)間，農歷(li)臘月廿九，我(wo)國首(shou)次火(huo)星(xing)探測(ce)任(ren)(ren)務(wu)(wu)“天(tian)問(wen)一號”探測(ce)器成(cheng)(cheng)功實(shi)施近火(huo)制動，開啟環繞(rao)火(huo)星(xing)之旅。此舉也被(bei)視為此次火(huo)星(xing)探測(ce)任(ren)(ren)務(wu)(wu)的(de)關鍵一步，意味著“天(tian)問(wen)一號”探測(ce)器已經成(cheng)(cheng)功被(bei)火(huo)星(xing)引力捕獲。那么，什么是火(huo)星(xing)捕獲？“天(tian)問(wen)一號”經歷(li)了怎樣的(de)奔火(huo)之旅？
出個遠門：“天問一號”已經離家200多天
飛行里程4.75億千米、飛行時間長達202天……“天問一號(hao)”過(guo)(guo)五關斬六將(jiang)，經過(guo)(guo)地火(huo)轉(zhuan)移的漫漫旅(lv)途后，終于來到火(huo)星(xing)附近(jin)。
從地(di)球(qiu)到火(huo)星(xing)的(de)(de)(de)轉移，是漫長的(de)(de)(de)旅行(xing)。火(huo)箭(jian)發(fa)射是整個飛(fei)(fei)行(xing)過(guo)程的(de)(de)(de)開始，在發(fa)射37分(fen)鐘后，探測器(qi)(qi)與(yu)火(huo)箭(jian)于(yu)距離(li)地(di)面670千米的(de)(de)(de)太空(kong)中(zhong)進行(xing)分(fen)離(li)，探測器(qi)(qi)至此進入地(di)火(huo)轉移軌道，在地(di)火(huo)轉移軌道上經歷了200多(duo)天(tian)的(de)(de)(de)飛(fei)(fei)行(xing)，在地(di)面測控系統的(de)(de)(de)支(zhi)持(chi)下(xia)，經過(guo)4次中(zhong)途修正(zheng)和1次深空(kong)機動修正(zheng)飛(fei)(fei)行(xing)路徑，環繞器(qi)(qi)逐漸飛(fei)(fei)近火(huo)星(xing)，進入火(huo)星(xing)捕獲段。
火(huo)星(xing)(xing)捕獲(huo)(huo)(huo)是火(huo)星(xing)(xing)探(tan)(tan)測(ce)任(ren)務中技(ji)術風險最高(gao)的(de)環節之一，由于火(huo)星(xing)(xing)捕獲(huo)(huo)(huo)窗(chuang)口的(de)唯(wei)一性，捕獲(huo)(huo)(huo)的(de)成(cheng)敗決定了(le)火(huo)星(xing)(xing)探(tan)(tan)測(ce)任(ren)務的(de)成(cheng)敗，這一點火(huo)制動過程通常被稱為(wei)“踩剎車(che)”。剎車(che)踩早(zao)了(le)，探(tan)(tan)測(ce)器速度(du)降(jiang)得(de)過低，探(tan)(tan)測(ce)器會墜入大(da)氣層撞擊火(huo)星(xing)(xing)；剎車(che)踩晚了(le)，探(tan)(tan)測(ce)器就不能被火(huo)星(xing)(xing)引力捕獲(huo)(huo)(huo)，從而(er)飛(fei)離火(huo)星(xing)(xing)。
來自中國航(hang)天科技(ji)集團(tuan)八(ba)院的(de)專家表示(shi)，為(wei)了精確把控發動機的(de)開(kai)關時機，環(huan)繞(rao)器在近火捕(bu)獲前需要由地面對其進行(xing)精確的(de)無線電測定軌(gui)，再結合從(cong)環(huan)繞(rao)器上(shang)光學自主導(dao)航(hang)儀器中獲得(de)的(de)導(dao)航(hang)信(xin)息，得(de)到環(huan)繞(rao)器和火星的(de)精確位置。制(zhi)動過程中，依靠(kao)可靠(kao)的(de)捕(bu)獲策略，確保探(tan)測器處于“捕(bu)獲走廊”直至進入環(huan)火軌(gui)道。
此(ci)外，制動(dong)過程還需要火(huo)星環(huan)繞器具備自主應對器上(shang)突(tu)發故(gu)障能力，確保(bao)火(huo)星捕獲過程開(kai)展順利可靠。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕獲(huo)段(duan)是(shi)火(huo)星(xing)探測(ce)器進入火(huo)星(xing)的(de)引力范(fan)圍到(dao)最終被火(huo)星(xing)捕獲(huo)的(de)階段(duan)，是(shi)火(huo)星(xing)探測(ce)任務(wu)中技術(shu)風險最高、最為重要的(de)環節之一，關(guan)系(xi)任務(wu)的(de)成敗。地外(wai)天(tian)體捕獲(huo)制(zhi)動是(shi)實現月球、火(huo)星(xing)等深(shen)空(kong)天(tian)體探測(ce)任務(wu)的(de)關(guan)鍵(jian)，而捕獲(huo)制(zhi)動控(kong)制(zhi)技術(shu)又是(shi)決定捕獲(huo)制(zhi)動是(shi)否成功的(de)關(guan)鍵(jian)。
專家(jia)介紹，當(dang)航天(tian)器進入目(mu)標(biao)天(tian)體(ti)影(ying)響球內，相對(dui)目(mu)標(biao)天(tian)體(ti)的軌道通(tong)常為雙曲線軌道，因此必(bi)須進行減速機動，否(fou)則將沿著雙曲線軌道飛離目(mu)標(biao)天(tian)體(ti)，這一減速機動過程稱為捕獲制(zhi)動。
此次火(huo)(huo)星(xing)探測(ce)(ce)(ce)任(ren)務捕獲期間，探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)距離火(huo)(huo)星(xing)僅400千(qian)米(mi)，相對火(huo)(huo)星(xing)的速(su)度(du)卻高達4至5千(qian)米(mi)每秒。捕獲過程(cheng)中，火(huo)(huo)星(xing)環繞器(qi)(qi)需準確(que)進行點(dian)火(huo)(huo)制(zhi)動，如(ru)果制(zhi)動點(dian)火(huo)(huo)時(shi)間過長，探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)速(su)度(du)下降過多，探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)就會一頭撞上火(huo)(huo)星(xing)；如(ru)果制(zhi)動點(dian)火(huo)(huo)時(shi)間過短，探測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)速(su)度(du)過快，就會沿拋物線(xian)軌跡飛離火(huo)(huo)星(xing)。
“打(da)個比(bi)方，地火(huo)轉移軌道就(jiu)像是一(yi)(yi)條以太陽為中(zhong)心的(de)橢(tuo)圓形閉環高(gao)速(su)(su)，火(huo)星只是這條高(gao)速(su)(su)上的(de)一(yi)(yi)個出口(kou)(kou)，一(yi)(yi)旦探測(ce)(ce)器(qi)不能及時剎車從火(huo)星出口(kou)(kou)下(xia)高(gao)速(su)(su)，那(nei)就(jiu)只能多繞(rao)一(yi)(yi)圈、花費(fei)數年到下(xia)次(ci)路過該(gai)出口(kou)(kou)了。”中(zhong)國航天(tian)科技(ji)集團八院“天(tian)問(wen)一(yi)(yi)號(hao)”探測(ce)(ce)器(qi)副(fu)總(zong)指揮張玉(yu)花說。
由于火(huo)(huo)星(xing)探(tan)測器從(cong)地球飛向火(huo)(huo)星(xing)的(de)過(guo)程中能夠被火(huo)(huo)星(xing)引(yin)力所捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)的(de)機會只有一(yi)(yi)次，且時(shi)間僅30分鐘左右(you)，不能中斷(duan)；捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)時(shi)探(tan)測器距(ju)離地球1.92億千米，無線電通信雙向延時(shi)達20多分鐘，地面無法(fa)對這一(yi)(yi)制動過(guo)程進(jin)行實時(shi)監控，只能依靠探(tan)測器自主(zhu)執行捕(bu)(bu)(bu)獲(huo)(huo)策略。
剎車制動：穩、準、狠
“在太(tai)陽系里(li)，八大(da)行(xing)星(xing)以太(tai)陽為核心公轉(zhuan)，形(xing)成了八個環形(xing)軌道，其中地球位于‘三(san)(san)環’，火星(xing)則在‘四環’。”中國(guo)航天(tian)科技集團六院11所(suo)副(fu)總設計(ji)師蘭曉輝(hui)介(jie)紹(shao)：“3000牛軌控(kong)發動機承擔著三(san)(san)項(xiang)任務，一(yi)是(shi)(shi)‘三(san)(san)環’轉(zhuan)移到‘四環’過程中的(de)姿態修正，二是(shi)(shi)‘四環’上的(de)‘剎車制動’，三(san)(san)是(shi)(shi)火星(xing)附(fu)近的(de)軌道調(diao)整。就像一(yi)位盡職盡責的(de)快(kuai)遞小(xiao)哥。”
近(jin)似于真(zhen)空的太(tai)空環(huan)境暗流涌動，隱藏著多(duo)種看不見(jian)的干擾因素，如星球引力攝動、太(tai)陽風、空間輻射等。為(wei)了防止“天問一號(hao)”不打招呼地“跑(pao)偏”，設計(ji)人員(yuan)綜合考慮了各(ge)種因素，進行了大量計(ji)算，設計(ji)出(chu)了一條精密的軌道(dao)，在發射前上傳至發動機，給(gei)它了一份“離線地圖”。
火(huo)星的質(zhi)量(liang)只(zhi)有地球(qiu)的十分之一(yi)，引(yin)力遠小于地球(qiu)，探測器在(zai)近火(huo)軌道必須及時“剎(cha)車”，否(fou)則會掠過(guo)火(huo)星，這就要考驗“快遞小哥(ge)”剎(cha)車是否(fou)踩得穩、準(zhun)、狠。在(zai)此次(ci)近火(huo)制動任(ren)務中，3000牛軌控發動機快速(su)點火(huo)啟動，并在(zai)額定(ding)點長時間連續穩定(ding)工作。
“從2010年(nian)立項(xiang)(xiang)到2016年(nian)定型，發動(dong)(dong)機(ji)經(jing)歷(li)了多項(xiang)(xiang)考核，充分驗(yan)證了各項(xiang)(xiang)關(guan)鍵技(ji)術。對于3000牛發動(dong)(dong)機(ji)，我們充滿信(xin)心。”蘭(lan)曉輝說。
火星是(shi)太陽系中距離地(di)(di)球較近、自(zi)然環境與地(di)(di)球最為類似的(de)行星，一(yi)直是(shi)人(ren)類走出地(di)(di)月系統開(kai)展深(shen)空探測(ce)(ce)的(de)首選目標。國家航(hang)天(tian)局有(you)關(guan)負責人(ren)表示，接下來“天(tian)問(wen)一(yi)號”將按計劃進行火星環繞、著陸和巡視(shi)，對火星開(kai)展全(quan)球性、綜合性的(de)環繞探測(ce)(ce)，在火星表面(mian)開(kai)展區域巡視(shi)探測(ce)(ce)。
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