集團(tuán)五院“天問一號”研制團(tuán)隊合影。

“天問一號”火星任務(wù)探測器模擬圖。

記者從國家航天局獲悉，2021年2月10日19時52分，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器實(shí)施近火捕獲制動，環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作約15分鐘，探測器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10度的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。

首次火星探測任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入火星捕獲階段后，“天問一號”環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷將陸續(xù)開始工作，對火星開展多維度探測。

自2020年7月23日成功發(fā)射以來，“天問一號”探測器已累計飛行202天，完成1次深空機(jī)動和4次中途修正，抵達(dá)火星時飛行里程約4.75億千米，距離地球約1.92億千米，器地通信單向時延約10.7分鐘，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。后續(xù)“天問一號”還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開展巡視探測。

做好導(dǎo)航掌握漂移技巧

2月10日，由中國航天科技集團(tuán)五院抓總研制的“天問一號”火星探測器順利實(shí)施近火制動，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

截至目前，“天問一號”探測器已經(jīng)在軌飛行200余天，飛行里程已經(jīng)突破了4.7億公里，“天問一號”為何能夠順利奔向火星？這一路上它如何熟練應(yīng)對“路況”，打好“漂移”、踩好“剎車”；如何識別多樣復(fù)雜的環(huán)火軌道。五院總體設(shè)計部軌道設(shè)計團(tuán)隊的星際引航功不可沒。

自2020年7月23日發(fā)射以來，“天問一號”探測器已經(jīng)完成了四次軌道中途修正和一次深空機(jī)動。與嫦娥系列探測器在地月空間飛行不同，“天問一號”是在進(jìn)行星際航行，發(fā)射升空三天后已經(jīng)徹底脫離了地球的引力場。為了確保它能夠順利奔火，五院總體設(shè)計部軌道設(shè)計團(tuán)隊悉心為它設(shè)計了最優(yōu)的飛行軌道，制定了詳細(xì)、全面的控制策略，助力“天問一號”在導(dǎo)航中精準(zhǔn)飛行。

在地火轉(zhuǎn)移的高速路上，“天問一號”長期處于無動力飛行狀態(tài)，難免會受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動因素的影響，與預(yù)定軌道產(chǎn)生一定的偏離。為了更接近理論軌道飛行，它就需要輕轉(zhuǎn)“方向盤”、慢踩“油門”，即通過中途修正的方式來進(jìn)行飛行方向和速度的細(xì)節(jié)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)躍動、高速奔火。

在高速奔火的路上，深空機(jī)動是“天問一號”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機(jī)動是控制量更大的軌控動作，使探測器通過一次大轉(zhuǎn)彎、或者說大漂移，從地球的公轉(zhuǎn)面進(jìn)入到火星的公轉(zhuǎn)面上，精確瞄準(zhǔn)火星飛行。“從軌道設(shè)計的角度來說，深空機(jī)動主要是為了調(diào)整探測器繞日軌道的尺寸和傾角，從而使探測器飛行的軌道滿足到達(dá)火星的需求。”軌道負(fù)責(zé)人周文艷研究員解釋說。

精準(zhǔn)“剎車”抓住今年唯一的近火制動機(jī)會

在第四次中途修正后，“天問一號”探測器保持著平穩(wěn)的飛行軌跡抵達(dá)火星附近。從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道，需要通過近火制動來實(shí)現(xiàn)火星捕獲。

“天問一號”需要準(zhǔn)確識別通往火星的高速“路標(biāo)”，并“剎車”慢行，在通往環(huán)火軌道的“匝道”上謹(jǐn)慎行駛。“對于軌道設(shè)計來說，近火制動這腳‘剎車’力道大小極為考究，踩得太輕，就會飛離火星；踩得太重，又會對后面的飛行時序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設(shè)計師高珊說。

在完成第四次中途修正后，“天問一號”進(jìn)入到了合適的窗口期，它必須精準(zhǔn)地踩下“剎車”，即通過近火制動實(shí)現(xiàn)火星捕獲，一步到位邁入預(yù)定環(huán)火軌道。對于“天問一號”來說，近火制動只有一次機(jī)會，因?yàn)橄乱淮魏线m的窗口期是在2033年。

另一個巨大挑戰(zhàn)的是通信延時，由于探測器距離地球太過遙遠(yuǎn)，即將踏入環(huán)火軌道的“天問一號”與地球的通信延遲超過了10分鐘，這意味著無法對火星捕獲情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，快速應(yīng)對。面對這樣一段“視覺盲區(qū)”，軌道設(shè)計團(tuán)隊協(xié)同控制系統(tǒng)分析了近千種故障工況，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，保證火星探測器在地面無法實(shí)時控制的情況下，對可能發(fā)生的情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐袛嗪头磻?yīng)。

多軌調(diào)整減速“泊車”

盡管已經(jīng)做了充分的準(zhǔn)備，軌道設(shè)計團(tuán)隊在近火捕獲階段仍然全神貫注地關(guān)注著變軌過程中每一個參數(shù)、每一條曲線的變化，進(jìn)行誤差評估。這是中國的航天器第一次抵達(dá)火星附近，要一次實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三個目標(biāo)，軌道設(shè)計的難度很高，在完成火星捕獲后，“天問一號”將要面臨更大的考驗(yàn)。

“天問一號”火星探測器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成，為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸，“天問一號”需要進(jìn)行多軌調(diào)整，通過精準(zhǔn)操作來不斷進(jìn)行軌道和速度的變動，通過更加復(fù)雜的軌道控制來保證“泊車”。

在完成火星捕獲后，“天問一號”進(jìn)入到環(huán)火軌道中，在遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行一次平面機(jī)動，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車”奠定基礎(chǔ)。當(dāng)回到近火點(diǎn)時，它就要慢踩“剎車”，準(zhǔn)備更換線路，邁入到停泊調(diào)相軌道，對軌道周期進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過預(yù)定的著陸點(diǎn)。當(dāng)“天問一號”在停泊調(diào)相軌道上再次到達(dá)近火點(diǎn)時，需要進(jìn)行第三次“剎車”，進(jìn)入停泊軌道，并在該軌道上進(jìn)行多次維持，對著陸區(qū)進(jìn)行拍攝成像，選擇合適的位置，完成“泊車”的最后一步，即實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器與著陸巡視器的分離，著陸巡視器進(jìn)入到火星大氣，完成這一階段的全部任務(wù)。

這次，“天問一號”能夠在奔火路上輕車熟路，離不開五院軌道設(shè)計團(tuán)隊的傾力支持，以及飛控隊伍幾個月來的恪盡職守。

最新消息，“天問一號”于2月15日17時剛剛成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動。探測器上的3000牛發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作，將軌道調(diào)整為經(jīng)過火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約265公里。

（據(jù)新華社）