2月10日晚間，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功實(shí)施近火制動(dòng)，開(kāi)啟環(huán)繞火星之旅。此次“天問(wèn)一號(hào)”火星捕獲制動(dòng)的成功，標(biāo)志著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的“環(huán)繞”目標(biāo)順利達(dá)成，為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
一分鐘領(lǐng)略“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞火星。視頻來(lái)源：航天科技集團(tuán)八院
什么是火星捕獲制動(dòng)？
火星捕獲制動(dòng)是指探測(cè)器在抵近火星時(shí)，通過(guò)主發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火，使得在行星際空間高速飛行的探測(cè)器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場(chǎng)捕獲，進(jìn)入繞火軌道。作為火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動(dòng)捕獲的機(jī)會(huì)是唯一的，關(guān)系著整個(gè)工程任務(wù)的成敗。
捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，只有點(diǎn)火時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。
此次火星探測(cè)任務(wù)捕獲時(shí)，探測(cè)器的目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會(huì)撞擊火星或飛離火星。地面測(cè)控系統(tǒng)的深空測(cè)控網(wǎng)通過(guò)接收探測(cè)器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無(wú)線電信號(hào)，經(jīng)過(guò)連續(xù)計(jì)算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測(cè)器能夠在預(yù)定時(shí)間、預(yù)定高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動(dòng)作。
在捕獲制動(dòng)過(guò)程中，“天問(wèn)一號(hào)”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動(dòng)時(shí)探測(cè)器距離地球1.92億千米，單向通信時(shí)延達(dá)到了10.7分鐘，地面無(wú)法對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲策略。
自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，研制團(tuán)隊(duì)已持續(xù)開(kāi)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(dòng)，開(kāi)展了各種自檢和功能驗(yàn)證工作，對(duì)探測(cè)器的測(cè)控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進(jìn)行了測(cè)試，確保捕獲制動(dòng)過(guò)程涉及的功能、性能得到充分檢驗(yàn)。
近火制動(dòng)示意圖。來(lái)源：航天科技集團(tuán)五院
這腳“火星剎車”，厲害！
制動(dòng)捕獲，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速控制，來(lái)降低探測(cè)器的速度，使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲，這一動(dòng)作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？面對(duì)這一難題，“天問(wèn)一號(hào)”交出了一份高分答卷。
開(kāi)車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來(lái)才能安全過(guò)彎。對(duì)于以28千米每秒高速靠近火星的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對(duì)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(cè)器一個(gè)反向推力，即可把它的速度降下來(lái)。但在工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，仍會(huì)遇到不少問(wèn)題。
火星探測(cè)器配置了1臺(tái)3000牛的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制?；鹦且Σ东@窗口有限，要求探測(cè)器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過(guò)程中，探測(cè)器必須完全依靠自己完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。
“在失去地面實(shí)時(shí)測(cè)控的環(huán)境下，我們只有通過(guò)方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在偏差、探測(cè)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(guò)多因素組合的測(cè)試和仿真分析，讓控制方案更加可靠?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說(shuō)。
2020年7月23日，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器發(fā)射升空。新華社記者 郭程 攝
0.3%的影響也絕不忽視
在研制過(guò)程中，一次半物理仿真試驗(yàn)，探測(cè)器的捕獲制動(dòng)精度與指標(biāo)要求有了明顯偏差，這使得研制團(tuán)隊(duì)高度緊張。設(shè)計(jì)方案已經(jīng)考慮了探測(cè)器燃料消耗引起的質(zhì)量變化，也考慮了推力方向偏移造成的姿態(tài)干擾等多種可能因素，為什么精度還是不夠呢？
研制團(tuán)隊(duì)隨即對(duì)捕獲制動(dòng)這一過(guò)程再次進(jìn)行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)前的“沉底”時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。
專家介紹，所謂“沉底”就是在主發(fā)動(dòng)機(jī)推力減速前，先啟動(dòng)維持探測(cè)器姿態(tài)控制的小推力器工作，通過(guò)姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發(fā)動(dòng)機(jī)工作。
研制團(tuán)隊(duì)迅速對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行精確量化分析，將沉底工作過(guò)程的推力減小，并將沉底過(guò)程對(duì)速度增量的影響引入到主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)間的計(jì)算中，通過(guò)方案優(yōu)化和進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，捕獲制動(dòng)精度有了顯著提升。
為了確保這次關(guān)鍵“剎車”可靠完成，研制團(tuán)隊(duì)在四年攻關(guān)過(guò)程中，不斷對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化完善。中國(guó)航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)品保證師劉宇說(shuō)：“我們已運(yùn)用自己的算法對(duì)一些知名的火星探測(cè)任務(wù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與國(guó)際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合?！?/p>
目前，具備自主控制能力的火星探測(cè)器已成功實(shí)施捕獲制動(dòng)，讓我們共同期待后續(xù)的探火新發(fā)現(xiàn)吧。（記者：胡喆）
