文章來源：人(ren)民日報海外版 發(fa)布時間：2022-03-03
2月24日，中國首次火星(xing)探(tan)(tan)測任務天問一(yi)號(hao)再傳喜訊。當日6時29分，天問一(yi)號(hao)探(tan)(tan)測器成功實(shi)施第三次近(jin)火制動，進入近(jin)火點(dian)280千米、遠火點(dian)5.9萬千米、周期兩個火星(xing)日的火星(xing)停泊(bo)軌道。
事實上(shang)，在剛(gang)剛(gang)過去的春節假期，天問一(yi)(yi)號相當“忙碌”。2月(yue)10日(ri)，探(tan)測器抵達火(huo)(huo)星(xing)(xing)軌道(dao)，成為中國首顆人(ren)造火(huo)(huo)星(xing)(xing)衛星(xing)(xing)；2月(yue)12日(ri)，天問一(yi)(yi)號火(huo)(huo)星(xing)(xing)捕(bu)獲過程影像公(gong)開，從距離地球(qiu)1.9億公(gong)里之外(wai)傳回新春的祝福；2月(yue)15日(ri)，天問一(yi)(yi)號成功實施捕(bu)獲軌道(dao)遠火(huo)(huo)點平面機動(dong)……
進(jin)入停泊(bo)軌道(dao)后，天問一號(hao)探(tan)測器將在(zai)此運(yun)行約3個月，環(huan)繞(rao)器7臺載荷(he)將全部開機，開始(shi)科學(xue)探(tan)測，并為擇機著陸火星做好準(zhun)備(bei)。
制動捕獲闖難關
天問一(yi)號探測器在經(jing)過長途飛行(xing)后，如何及時制動并最(zui)終(zhong)被火(huo)星(xing)捕(bu)獲，是任務(wu)中風險最(zui)高、難度最(zui)大的環節之(zhi)一(yi)，直接關系到探測任務(wu)的成(cheng)敗。
捕獲過(guo)(guo)(guo)程難在哪兒？探測(ce)器抵達火(huo)(huo)星(xing)軌(gui)道(dao)附近時，距(ju)離火(huo)(huo)星(xing)只有400公里，但相對火(huo)(huo)星(xing)的速度卻(que)高達4至(zhi)5公里每秒。因此，探測(ce)器必須點火(huo)(huo)制(zhi)動(dong)、及時“剎(cha)車(che)”。否則，如果制(zhi)動(dong)時間過(guo)(guo)(guo)長(chang)、剎(cha)車(che)踩早了，探測(ce)器就會一頭(tou)撞向(xiang)火(huo)(huo)星(xing)；如果時間過(guo)(guo)(guo)短、晚(wan)踩剎(cha)車(che)，探測(ce)器就會因速度過(guo)(guo)(guo)快而飛離火(huo)(huo)星(xing)，無法進入環繞軌(gui)道(dao)。
在此(ci)過(guo)程(cheng)中(zhong)，探測器能夠被火星引力捕獲的(de)機會(hui)僅(jin)有一次，“窗口(kou)期”更(geng)是只有半個小時。要想實現(xian)完(wan)美捕獲，天問(wen)一號(hao)不僅(jin)要靠地面的(de)指令，更(geng)要在關(guan)鍵時刻(ke)依靠自己(ji)的(de)“智慧(hui)”進行(xing)決斷。
在歷次(ci)嫦娥探(tan)(tan)(tan)(tan)月(yue)任(ren)務中，中國成(cheng)功實施了(le)多次(ci)近(jin)月(yue)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)。雖然同樣是(shi)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)，近(jin)火制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)的難度要(yao)比近(jin)月(yue)制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)更大(da)。地(di)(di)(di)月(yue)平均距離(li)約38萬公里，單(dan)向通信(xin)時延只有1秒(miao)左右。大(da)多數情況(kuang)下，地(di)(di)(di)面可(ke)以直接控(kong)制(zhi)(zhi)月(yue)球探(tan)(tan)(tan)(tan)測器(qi)(qi)的動(dong)(dong)作。但天問一號探(tan)(tan)(tan)(tan)測器(qi)(qi)被火星捕(bu)獲時，火星探(tan)(tan)(tan)(tan)測器(qi)(qi)距離(li)地(di)(di)(di)球約1.9億公里，單(dan)向通信(xin)時延達10分鐘(zhong)以上。地(di)(di)(di)面無法對制(zhi)(zhi)動(dong)(dong)過程(cheng)進行(xing)實時監控(kong)，只能(neng)依靠探(tan)(tan)(tan)(tan)測器(qi)(qi)自(zi)主執行(xing)捕(bu)獲策略，這對于環繞器(qi)(qi)的自(zi)主導航與控(kong)制(zhi)(zhi)提(ti)出了(le)極高要(yao)求。
專家表示，為了精(jing)確把控發動機的開關時(shi)(shi)機，環(huan)繞器(qi)在(zai)近火捕(bu)獲前需要由地面對其進行(xing)精(jing)確的無線電測定軌。除了無線電通(tong)信(xin)導航外，天問(wen)一(yi)號還首次利用光學導航敏感(gan)器(qi)作為備份(fen)導航工具(ju)，通(tong)過探(tan)測器(qi)上的一(yi)雙“眼睛(jing)”實時(shi)(shi)觀(guan)測環(huan)繞器(qi)和火星(xing)的精(jing)確位置(zhi)。地面團隊(dui)可(ke)(ke)借此更(geng)直觀(guan)地確認飛行(xing)軌道和姿態，計算圖像中火星(xing)的幾何(he)中心和視半徑。天問(wen)一(yi)號可(ke)(ke)以(yi)通(tong)過最優估(gu)計算法自(zi)主獲取實時(shi)(shi)位置(zhi)和速度信(xin)息(xi)，依靠可(ke)(ke)靠的捕(bu)獲策(ce)略(lve)，確保(bao)進入環(huan)火軌道。
據了(le)解，這是中(zhong)國(guo)首次在行(xing)(xing)星際轉移飛行(xing)(xing)過程中(zhong)應(ying)用光(guang)(guang)學自主導航技術，中(zhong)國(guo)也由此(ci)成為世界上第(di)二(er)個掌握并在軌驗證(zheng)火星光(guang)(guang)學自主導航技術的國(guo)家。
此(ci)外(wai)，在制動(dong)過程(cheng)中(zhong)，環繞(rao)器需(xu)要在自身出現突發狀況時(shi)自主(zhu)完成(cheng)相應處理，以最(zui)大(da)限度保證火星(xing)捕(bu)獲(huo)成(cheng)功。為了解決超遠距離通信(xin)問題，火星(xing)環繞(rao)器還裝備了測控(kong)數傳一(yi)體化系(xi)統(tong)，實現了系(xi)統(tong)重量(liang)輕、通信(xin)效率(lv)高、通信(xin)鏈路可靠的目標。
多維探測“打前站”
成(cheng)功被火(huo)星捕(bu)獲并(bing)完成(cheng)“繞、著(zhu)、巡”的第(di)一(yi)步后，天(tian)問一(yi)號還有多項新任務——既要對火(huo)星開(kai)展(zhan)多維(wei)度探(tan)測，更要為(wei)下一(yi)步著(zhu)陸火(huo)星做(zuo)好(hao)準備。
2月15日，天問一號進(jin)行遠火(huo)(huo)點平面機動(dong)，探測器的(de)(de)飛行從繞著(zhu)火(huo)(huo)星(xing)赤道(dao)變成繞著(zhu)火(huo)(huo)星(xing)南北極。2月24日，探測器經過(guo)第(di)三次近火(huo)(huo)制動(dong)進(jin)入(ru)火(huo)(huo)星(xing)停(ting)泊軌道(dao)。專家表示，這幾次軌道(dao)的(de)(de)調整，就是(shi)為了讓(rang)天問一號“考察”之前(qian)選中的(de)(de)著(zhu)陸點。
天問一號的(de)探(tan)測器(qi)(qi)由環(huan)繞(rao)(rao)器(qi)(qi)和(he)著(zhu)(zhu)陸巡(xun)視(shi)器(qi)(qi)兩部分組成。從發射(she)到(dao)近火制動的(de)過程中，環(huan)繞(rao)(rao)器(qi)(qi)主(zhu)要(yao)承(cheng)擔飛行任務；火星(xing)捕獲后，環(huan)繞(rao)(rao)器(qi)(qi)將(jiang)(jiang)為(wei)著(zhu)(zhu)陸巡(xun)視(shi)器(qi)(qi)進(jin)行著(zhu)(zhu)陸預報(bao)；成功釋放著(zhu)(zhu)陸巡(xun)視(shi)器(qi)(qi)后，環(huan)繞(rao)(rao)器(qi)(qi)將(jiang)(jiang)作(zuo)為(wei)通信(xin)器(qi)(qi)，為(wei)著(zhu)(zhu)陸巡(xun)視(shi)器(qi)(qi)建立與地球之間的(de)中繼(ji)通信(xin)鏈路；火星(xing)車3個月的(de)工作(zuo)結束(shu)后，環(huan)繞(rao)(rao)器(qi)(qi)還將(jiang)(jiang)繼(ji)續進(jin)行長達(da)一個火星(xing)年即將(jiang)(jiang)近兩個地球年的(de)深度探(tan)測。
據(ju)專家介紹，為了給火(huo)星(xing)車(che)和著(zhu)陸(lu)平臺“打前站”，環繞(rao)器將用攜帶的(de)中分和高分相機、磁強計、礦物(wu)光譜(pu)分析儀等設備對火(huo)星(xing)開展多維度探(tan)測，包括(kuo)對預定著(zhu)陸(lu)區(qu)進(jin)行(xing)詳細(xi)的(de)地形、地貌(mao)探(tan)測，對著(zhu)陸(lu)區(qu)附近大(da)幅(fu)寬、大(da)面積的(de)區(qu)域(yu)進(jin)行(xing)沙塵暴探(tan)測，為火(huo)星(xing)探(tan)測任(ren)務第二步的(de)“著(zhu)”提供預報，并擇機實(shi)施火(huo)星(xing)著(zhu)陸(lu)。
在(zai)天(tian)問一號探測器一路奔(ben)火的(de)(de)途中，中國(guo)首輛火星(xing)(xing)車1∶1復制試驗(yan)車仍在(zai)持續進行地(di)面(mian)(mian)驗(yan)證，為(wei)著(zhu)陸后可能遇到的(de)(de)情況做準備。著(zhu)陸巡視器在(zai)火星(xing)(xing)表面(mian)(mian)軟著(zhu)陸成(cheng)功后，火星(xing)(xing)車將(jiang)在(zai)科學任務(wu)軌道上對(dui)火星(xing)(xing)的(de)(de)地(di)形地(di)貌(mao)、土壤結構(gou)、水冰分(fen)(fen)布、表面(mian)(mian)的(de)(de)物質成(cheng)分(fen)(fen)以及火星(xing)(xing)的(de)(de)空間環境進行探測，最終將(jiang)形成(cheng)火星(xing)(xing)全球(qiu)圖。
麒麟、哪吒、追夢(meng)、星(xing)(xing)火(huo)……盡管中國火(huo)星(xing)(xing)車(che)的姓名(ming)尚未最(zui)終出爐，但(dan)其“百般武藝”早(zao)已(yi)深入人心。火(huo)星(xing)(xing)車(che)配備了能避開障(zhang)礙、實(shi)施前行實(shi)時探(tan)測(ce)的全(quan)(quan)景相機(ji)，識別礦物質成分(fen)的多(duo)光譜相機(ji)。同時，火(huo)星(xing)(xing)車(che)還(huan)裝(zhuang)有4個(ge)“翅膀”——太(tai)陽能電池板。除此之(zhi)外(wai)，火(huo)星(xing)(xing)車(che)還(huan)配有探(tan)測(ce)雷達(da)、磁場探(tan)測(ce)儀(yi)和(he)氣象測(ce)量儀(yi)，可以(yi)對(dui)火(huo)星(xing)(xing)進行全(quan)(quan)方位(wei)探(tan)測(ce)。裝(zhuang)在火(huo)星(xing)(xing)車(che)上的次表層(ceng)探(tan)測(ce)雷達(da)將對(dui)火(huo)星(xing)(xing)地表以(yi)下10米甚至100米深度的火(huo)星(xing)(xing)內部結構(gou)(gou)進行“透(tou)視(shi)(shi)”，探(tan)測(ce)巡視(shi)(shi)區表面土壤厚度、冰層(ceng)結構(gou)(gou)，獲(huo)取火(huo)星(xing)(xing)地表和(he)次表層(ceng)超寬帶全(quan)(quan)極化回波數據(ju)，并探(tan)測(ce)巡視(shi)(shi)區次表層(ceng)結構(gou)(gou)，獲(huo)取次表層(ceng)地質結構(gou)(gou)數據(ju)。
中國首輛火(huo)(huo)星(xing)車的設計壽命為90個火(huo)(huo)星(xing)日。由于火(huo)(huo)星(xing)上的一天(tian)比地球(qiu)略長（火(huo)(huo)星(xing)自轉周期約為24小(xiao)時37分鐘），因(yin)此火(huo)(huo)星(xing)車將在(zai)火(huo)(huo)星(xing)上工作(zuo)92個地球(qiu)日。
與環繞(rao)器火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)捕獲相似，由(you)于(yu)地火(huo)(huo)(huo)遠距(ju)離數據傳(chuan)輸的時延(yan)，要(yao)求(qiu)火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)車(che)必須具有(you)很高的自主(zhu)能(neng)(neng)力。同時，火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)光照(zhao)強度小，再加上(shang)火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)大氣(qi)對(dui)陽光的削減作用，火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)車(che)能(neng)(neng)源供給比月球車(che)更為困(kun)難——這(zhe)些因(yin)素都使得火(huo)(huo)(huo)星(xing)(xing)探測(ce)任務更具難度和復雜(za)性(xing)。
【責任編輯：趙藝涵】