2月10日19時(shí)52分，我國(guó)首次自主火星探測(cè)器天問(wèn)一號(hào)按照預(yù)設(shè)程序開始實(shí)施火星制動(dòng)捕獲，主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作約15分鐘，成功進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。其中，實(shí)施制動(dòng)捕獲的環(huán)繞器由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院抓總研制。

此次天問(wèn)一號(hào)火星制動(dòng)捕獲的成功標(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)。

天問(wèn)一號(hào)自拍照。 本文圖片來(lái)源：國(guó)家航天局

“太空剎車”有多難？

火星制動(dòng)捕獲是指探測(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，這就好比要踩一腳“太空剎車”。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。

這一腳“太空剎車”極為關(guān)鍵，直接關(guān)系到火星探測(cè)任務(wù)成功與否。如果這一腳“太空剎車”踩早了，速度降得過(guò)低，探測(cè)器就會(huì)墜入火星大氣層，在大氣層解體或撞擊火星表面；如果踩晚了，探測(cè)器器則不能被火星引力捕獲，從而飛離火星，圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

1960年10月10日，蘇聯(lián)發(fā)射了人類首顆火星探測(cè)器（“火星”-1960A），拉開了人類探測(cè)火星的序幕。從1960年至今，人類實(shí)施了50余次火星探測(cè)任務(wù)，但接近三分之二任務(wù)以失敗告終，其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是探測(cè)器未成功完成火星制動(dòng)程序。比如，蘇聯(lián)1973年7月21日發(fā)射的“火星”-4號(hào)探測(cè)器在距離火星表面2200千米處飛越，由于制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)失效而沒(méi)有進(jìn)入火星軌道。美國(guó)的火星探測(cè)成功率比較高，但也有幾次任務(wù)因未能完成制動(dòng)而失敗。比如1999年9月23日發(fā)射的“火星氣候軌道器”也因制動(dòng)失敗導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗。

本次天問(wèn)一號(hào)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,相對(duì)火星的速度卻高達(dá)4－5km／s，制動(dòng)的“時(shí)間窗口”僅為半個(gè)小時(shí)左右，一不留神就會(huì)撞擊火星或飛離火星。本次任務(wù)中，地面測(cè)控系統(tǒng)的深空測(cè)控網(wǎng)和甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(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)定的時(shí)間、預(yù)定的高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動(dòng)作。

天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器拍攝的首幅火星圖像。

揭秘承擔(dān)“太空剎車”重任的環(huán)繞器

在本次天問(wèn)一號(hào)制動(dòng)捕獲中，火星環(huán)繞器獨(dú)自承擔(dān)了“太空剎車”重任，制動(dòng)成功也進(jìn)一步驗(yàn)證了火星環(huán)繞器的各項(xiàng)高可靠設(shè)計(jì)。

據(jù)首次火星探測(cè)任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)副總指揮兼環(huán)繞器總指揮張玉花介紹，火星環(huán)繞器采用“外部六面柱體＋中心承力錐筒”構(gòu)型。

在制動(dòng)捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器面臨著諸多困難。由于制動(dòng)捕獲時(shí)探測(cè)器距離地球1.92億公里，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。為了確保本次制動(dòng)捕獲成功，中國(guó)航天科技集團(tuán)八院火星環(huán)繞器團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了器務(wù)自主管理器雙大腦、姿軌控計(jì)算機(jī)三核心、測(cè)控通信多通道切換策略、發(fā)動(dòng)機(jī)雙關(guān)機(jī)策略、3000牛和120牛發(fā)動(dòng)機(jī)兩重保險(xiǎn)等多項(xiàng)技術(shù)，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性，為制動(dòng)捕獲過(guò)程探測(cè)器安全保駕護(hù)航。

首次火星探測(cè)任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)副總師兼環(huán)繞器總設(shè)計(jì)師王獻(xiàn)忠介紹，獨(dú)自承擔(dān)“太空剎車”重任的環(huán)繞器“耳聰目明”，行動(dòng)決策“科學(xué)民主”，根據(jù)實(shí)際情況采用最優(yōu)解。

環(huán)繞器配備了1臺(tái)3000牛推力的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測(cè)器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米/秒。與常規(guī)衛(wèi)星可以由地面實(shí)時(shí)操控不同，制動(dòng)捕獲過(guò)程中，探測(cè)器距離地球遠(yuǎn)，地球與探測(cè)器之間數(shù)據(jù)通信的單向時(shí)間延遲超過(guò)10.7分鐘，探測(cè)器必須完全依靠自身完成發(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，我們惟有通過(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，讓控制方案更加健壯可靠。”環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說(shuō)道。

據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)從20世紀(jì)70年代的美國(guó)海盜號(hào)火星探測(cè)器開始，研究了目前國(guó)際上所有的火星探測(cè)器，并對(duì)國(guó)外的失敗和成功案例進(jìn)行深入剖析?！拔覀儗?duì)火星探測(cè)全過(guò)程反復(fù)推演，可以說(shuō)已經(jīng)將我們能想到的所有可能情況都考慮了進(jìn)去，并通過(guò)各種可能事件的組合來(lái)測(cè)試我們的方案和產(chǎn)品。”GNC系統(tǒng)（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)）主任設(shè)計(jì)師聶欽博說(shuō)道。

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器，環(huán)繞器采用“外部六面柱體＋中心承力錐筒”構(gòu)型。

環(huán)繞器上配備了光學(xué)導(dǎo)航敏感器和紅外導(dǎo)航敏感器，能自主進(jìn)行定位。光學(xué)導(dǎo)航敏感器采用“恒星姿態(tài)識(shí)別＋硬脈沖校時(shí)”技術(shù)，確保時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)亞像素級(jí)圖像處理，獲取火星輪廓并解算出自身位置。紅外導(dǎo)航敏感器，采用復(fù)合的探測(cè)方式，通過(guò)對(duì)火星凝視成像，檢測(cè)火星圖像邊緣，輔助環(huán)繞器完成軌道測(cè)量。

此外，環(huán)繞器在近火捕獲前，地面也將對(duì)其進(jìn)行一次精確的無(wú)線電測(cè)定軌。結(jié)合環(huán)繞器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器的導(dǎo)航信息，得到環(huán)繞器和火星的精確位置。制動(dòng)過(guò)程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測(cè)器處于“捕獲走廊”，直至進(jìn)入環(huán)火軌道。

環(huán)繞器是一名副其實(shí)的“太空多面手”，不僅承擔(dān)了“太空剎車”的重任，還肩負(fù)著中繼通信的重任。火星探測(cè)器通信時(shí)延是月球探測(cè)器的1000倍，信號(hào)衰減是月球探測(cè)器的100萬(wàn)倍。環(huán)繞器距離地球最遠(yuǎn)時(shí)，單向通信延時(shí)達(dá)到22分鐘，一來(lái)一回通信將會(huì)延遲44分鐘，并且還會(huì)遇到信號(hào)衰減、太陽(yáng)輻射干擾等難題。

如何解決如此復(fù)雜的超遠(yuǎn)距離深空通信？張玉花，八表示院研制團(tuán)隊(duì)開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，成功研制了以“超高靈敏度應(yīng)答機(jī)”和“大口徑可兩維驅(qū)動(dòng)天線”為核心的X頻段“測(cè)控?cái)?shù)傳一體化”測(cè)控系統(tǒng)。

據(jù)悉，自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，火星探測(cè)研制團(tuán)隊(duì)已經(jīng)持續(xù)開展了202天的在軌飛行控制任務(wù)，完成了四次中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)，開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、姿軌控能力、自主管理能力等進(jìn)行了測(cè)試，確保制動(dòng)捕獲過(guò)程涉及的功能、性能得到充分檢驗(yàn)。

后續(xù)，火星環(huán)繞器研制團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)發(fā)揚(yáng)嚴(yán)慎細(xì)實(shí)的工作作風(fēng)，為著陸巡視器登陸火星開展巡視探測(cè)任務(wù)、科學(xué)載荷遙感探測(cè)獲取原創(chuàng)成果、天問(wèn)一號(hào)探測(cè)任務(wù)的圓滿成功做好支撐。