文(wen)章來源：新華(hua)網(wang) 發布時(shi)間：2022-02-18
2月(yue)10日晚間，農歷臘月(yue)廿九(jiu)，我國首次(ci)火(huo)(huo)星(xing)探測(ce)任(ren)務“天問(wen)一(yi)號(hao)”探測(ce)器(qi)成(cheng)功(gong)實施近火(huo)(huo)制動，開啟環繞火(huo)(huo)星(xing)之(zhi)旅(lv)。此舉也被視(shi)為(wei)此次(ci)火(huo)(huo)星(xing)探測(ce)任(ren)務的(de)(de)關鍵一(yi)步，意味著“天問(wen)一(yi)號(hao)”探測(ce)器(qi)已經成(cheng)功(gong)被火(huo)(huo)星(xing)引力捕獲。那么(me)，什(shen)么(me)是火(huo)(huo)星(xing)捕獲？“天問(wen)一(yi)號(hao)”經歷了怎樣的(de)(de)奔火(huo)(huo)之(zhi)旅(lv)？
出個遠門：“天問一號”已經離家200多天
飛(fei)行(xing)里程4.75億千(qian)米、飛(fei)行(xing)時間長達202天……“天問一號”過(guo)五關斬六將，經過(guo)地火轉移(yi)的漫漫旅途(tu)后，終于來(lai)到火星附近。
從地(di)(di)球到(dao)火(huo)星(xing)的(de)(de)(de)轉(zhuan)移，是漫長的(de)(de)(de)旅行。火(huo)箭(jian)發射是整個飛行過(guo)程的(de)(de)(de)開始(shi)，在(zai)發射37分鐘后(hou)，探(tan)測(ce)器與火(huo)箭(jian)于距離地(di)(di)面(mian)670千(qian)米(mi)的(de)(de)(de)太空中進(jin)行分離，探(tan)測(ce)器至此進(jin)入地(di)(di)火(huo)轉(zhuan)移軌道，在(zai)地(di)(di)火(huo)轉(zhuan)移軌道上經歷(li)了200多天的(de)(de)(de)飛行，在(zai)地(di)(di)面(mian)測(ce)控系統的(de)(de)(de)支持下，經過(guo)4次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，環繞(rao)器逐漸(jian)飛近火(huo)星(xing)，進(jin)入火(huo)星(xing)捕獲段。
火星(xing)(xing)捕(bu)獲是火星(xing)(xing)探(tan)測任務中(zhong)技術(shu)風險最高的(de)環節之一(yi)，由于火星(xing)(xing)捕(bu)獲窗(chuang)口的(de)唯一(yi)性，捕(bu)獲的(de)成敗決定了火星(xing)(xing)探(tan)測任務的(de)成敗，這一(yi)點火制動過程通常被稱為“踩(cai)剎車(che)”。剎車(che)踩(cai)早(zao)了，探(tan)測器(qi)速度(du)降得過低(di)，探(tan)測器(qi)會墜入(ru)大氣(qi)層撞擊火星(xing)(xing)；剎車(che)踩(cai)晚了，探(tan)測器(qi)就不能被火星(xing)(xing)引力捕(bu)獲，從而(er)飛離(li)火星(xing)(xing)。
來自中國航天科(ke)技(ji)集團(tuan)八院的(de)專家表示(shi)，為了(le)精(jing)確(que)把控發動機的(de)開(kai)關時機，環繞(rao)(rao)器(qi)在近火(huo)捕獲前需要由地面對其進行精(jing)確(que)的(de)無線電測定軌(gui)，再結合從環繞(rao)(rao)器(qi)上(shang)光學自主導(dao)航儀器(qi)中獲得的(de)導(dao)航信息，得到(dao)環繞(rao)(rao)器(qi)和火(huo)星的(de)精(jing)確(que)位置。制動過程中，依靠可靠的(de)捕獲策(ce)略，確(que)保探測器(qi)處于(yu)“捕獲走廊”直至進入環火(huo)軌(gui)道。
此外(wai)，制動(dong)過(guo)(guo)程還需要火(huo)星(xing)環繞器(qi)具備自主應(ying)對器(qi)上突發故(gu)障能力，確保火(huo)星(xing)捕獲過(guo)(guo)程開展順利可靠。
火星捕獲：機會只有一次、時間僅30分鐘
捕獲(huo)(huo)(huo)段是火(huo)星(xing)探(tan)測器(qi)進入火(huo)星(xing)的(de)引力范(fan)圍到最終(zhong)被(bei)火(huo)星(xing)捕獲(huo)(huo)(huo)的(de)階段，是火(huo)星(xing)探(tan)測任(ren)務(wu)中技術(shu)風險最高、最為重要的(de)環節之一，關系任(ren)務(wu)的(de)成(cheng)敗。地外天(tian)體捕獲(huo)(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動是實現(xian)月球、火(huo)星(xing)等(deng)深空天(tian)體探(tan)測任(ren)務(wu)的(de)關鍵，而捕獲(huo)(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動控制(zhi)(zhi)技術(shu)又是決定捕獲(huo)(huo)(huo)制(zhi)(zhi)動是否成(cheng)功的(de)關鍵。
專家介紹，當航天器(qi)進入目標(biao)(biao)天體影響球內，相對(dui)目標(biao)(biao)天體的軌(gui)道(dao)通常為(wei)(wei)雙曲線軌(gui)道(dao)，因此必(bi)須進行減速機動(dong)，否則將(jiang)沿(yan)著(zhu)雙曲線軌(gui)道(dao)飛離目標(biao)(biao)天體，這一減速機動(dong)過程稱(cheng)為(wei)(wei)捕獲制動(dong)。
此(ci)次火(huo)星探(tan)測任(ren)務捕獲(huo)期間，探(tan)測器(qi)距離火(huo)星僅400千米，相對火(huo)星的速度(du)卻(que)高達(da)4至5千米每(mei)秒。捕獲(huo)過程(cheng)中，火(huo)星環繞器(qi)需準確進行點(dian)(dian)火(huo)制(zhi)動(dong)，如果(guo)制(zhi)動(dong)點(dian)(dian)火(huo)時間過長，探(tan)測器(qi)速度(du)下降過多，探(tan)測器(qi)就(jiu)會一頭撞上火(huo)星；如果(guo)制(zhi)動(dong)點(dian)(dian)火(huo)時間過短，探(tan)測器(qi)速度(du)過快(kuai)，就(jiu)會沿(yan)拋物線(xian)軌(gui)跡飛離火(huo)星。
“打個比方，地火(huo)轉移軌道就像是(shi)一條以太陽為中心的(de)橢圓(yuan)形閉環高(gao)速，火(huo)星只(zhi)是(shi)這條高(gao)速上的(de)一個出口(kou)，一旦(dan)探測器不能及(ji)時(shi)剎車從(cong)火(huo)星出口(kou)下高(gao)速，那就只(zhi)能多(duo)繞一圈、花(hua)費數年到下次路(lu)過該(gai)出口(kou)了。”中國(guo)航天科技(ji)集(ji)團八院(yuan)“天問一號”探測器副總指揮張玉花(hua)說。
由于火星(xing)(xing)探(tan)測(ce)器從地球飛向(xiang)火星(xing)(xing)的過(guo)程中能夠被火星(xing)(xing)引力所(suo)捕(bu)獲的機會(hui)只有一(yi)(yi)次，且時(shi)間僅30分鐘(zhong)左右(you)，不(bu)能中斷(duan)；捕(bu)獲時(shi)探(tan)測(ce)器距(ju)離地球1.92億(yi)千米，無線電通信雙(shuang)向(xiang)延時(shi)達20多分鐘(zhong)，地面無法(fa)對這一(yi)(yi)制動過(guo)程進行(xing)實(shi)時(shi)監控，只能依(yi)靠(kao)探(tan)測(ce)器自主執行(xing)捕(bu)獲策略。
剎車制動：穩、準、狠
“在(zai)太(tai)陽系(xi)里，八大行星以太(tai)陽為核心公(gong)轉(zhuan)，形(xing)成了(le)八個環(huan)形(xing)軌道(dao)，其中(zhong)地(di)球位于‘三(san)(san)環(huan)’，火(huo)星則(ze)在(zai)‘四(si)環(huan)’。”中(zhong)國(guo)航天科技(ji)集(ji)團六院11所(suo)副總設計師蘭(lan)曉輝介紹：“3000牛軌控(kong)發動機承擔(dan)著三(san)(san)項任務，一(yi)是‘三(san)(san)環(huan)’轉(zhuan)移到‘四(si)環(huan)’過程中(zhong)的姿態修正，二(er)是‘四(si)環(huan)’上的‘剎車制動’，三(san)(san)是火(huo)星附近的軌道(dao)調整。就像一(yi)位盡(jin)職盡(jin)責的快遞小哥。”
近似于真空(kong)的太空(kong)環境暗(an)流涌動(dong)，隱藏著多種看(kan)不見的干(gan)擾(rao)因素(su)，如星球引力攝(she)動(dong)、太陽風、空(kong)間輻射等。為(wei)了防止“天(tian)問一(yi)號”不打招呼地(di)“跑偏”，設計人員綜合考(kao)慮了各(ge)種因素(su)，進行(xing)了大量計算，設計出了一(yi)條精密的軌道，在(zai)發射前上傳至(zhi)發動(dong)機(ji)，給它(ta)了一(yi)份“離(li)線地(di)圖”。
火星的(de)質量只(zhi)有地(di)球(qiu)的(de)十分之(zhi)一，引力(li)遠小于地(di)球(qiu)，探測器(qi)在(zai)近火軌(gui)道必須及時“剎(cha)(cha)車(che)”，否則會掠過火星，這(zhe)就要(yao)考驗“快遞小哥”剎(cha)(cha)車(che)是否踩得穩、準、狠。在(zai)此次近火制動任務中，3000牛軌(gui)控發動機快速點火啟動，并在(zai)額定點長時間(jian)連續穩定工(gong)作。
“從2010年立(li)項(xiang)(xiang)到2016年定型，發動(dong)(dong)機經歷了多(duo)項(xiang)(xiang)考核(he)，充分驗(yan)證了各(ge)項(xiang)(xiang)關鍵(jian)技術。對于3000牛(niu)發動(dong)(dong)機，我(wo)們充滿信心(xin)。”蘭(lan)曉輝(hui)說。
火(huo)星(xing)(xing)(xing)是太陽系中距(ju)離(li)地(di)(di)(di)球(qiu)較(jiao)近、自(zi)然環(huan)境與地(di)(di)(di)球(qiu)最為(wei)類(lei)似的(de)行(xing)星(xing)(xing)(xing)，一直(zhi)是人類(lei)走出(chu)地(di)(di)(di)月系統開(kai)展(zhan)(zhan)深(shen)空(kong)探(tan)測(ce)的(de)首(shou)選目標(biao)。國家航天(tian)局有關負責人表示，接下(xia)來“天(tian)問一號”將按計劃進行(xing)火(huo)星(xing)(xing)(xing)環(huan)繞(rao)、著陸和巡(xun)視(shi)，對(dui)火(huo)星(xing)(xing)(xing)開(kai)展(zhan)(zhan)全球(qiu)性(xing)、綜合性(xing)的(de)環(huan)繞(rao)探(tan)測(ce)，在火(huo)星(xing)(xing)(xing)表面開(kai)展(zhan)(zhan)區(qu)域巡(xun)視(shi)探(tan)測(ce)。
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