集團(tuán)五院“天問(wèn)一號(hào)”研制團(tuán)隊(duì)合影。

“天問(wèn)一號(hào)”火星任務(wù)探測(cè)器模擬圖。

記者從國(guó)家航天局獲悉，2021年2月10日19時(shí)52分，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作約15分鐘，探測(cè)器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、周期約10個(gè)地球日、傾角約10度的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國(guó)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(cè)任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入火星捕獲階段后，“天問(wèn)一號(hào)”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(jì)、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測(cè)儀等載荷將陸續(xù)開(kāi)始工作，對(duì)火星開(kāi)展多維度探測(cè)。

自2020年7月23日成功發(fā)射以來(lái)，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器已累計(jì)飛行202天，完成1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正，抵達(dá)火星時(shí)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(shí)延約10.7分鐘，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。后續(xù)“天問(wèn)一號(hào)”還將經(jīng)過(guò)多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開(kāi)展預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，計(jì)劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開(kāi)展巡視探測(cè)。

做好導(dǎo)航掌握漂移技巧

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

截至目前，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)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(wèn)一號(hào)”為何能夠順利奔向火星？這一路上它如何熟練應(yīng)對(duì)“路況”，打好“漂移”、踩好“剎車”；如何識(shí)別多樣復(fù)雜的環(huán)火軌道。五院總體設(shè)計(jì)部軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的星際引航功不可沒(méi)。

自2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)完成了四次軌道中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)。與嫦娥系列探測(cè)器在地月空間飛行不同，“天問(wèn)一號(hào)”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(chǎng)。為了確保它能夠順利奔火，五院總體設(shè)計(jì)部軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)悉心為它設(shè)計(jì)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(wèn)一號(hào)”在導(dǎo)航中精準(zhǔn)飛行。

在地火轉(zhuǎn)移的高速路上，“天問(wèn)一號(hào)”長(zhǎng)期處于無(wú)動(dòng)力飛行狀態(tài)，難免會(huì)受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動(dòng)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(pán)”、慢踩“油門(mén)”，即通過(guò)中途修正的方式來(lái)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(dòng)、高速奔火。

在高速奔火的路上，深空機(jī)動(dòng)是“天問(wèn)一號(hào)”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機(jī)動(dòng)是控制量更大的軌控動(dòng)作，使探測(cè)器通過(guò)一次大轉(zhuǎn)彎、或者說(shuō)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(jì)的角度來(lái)說(shuō)，深空機(jī)動(dòng)主要是為了調(diào)整探測(cè)器繞日軌道的尺寸和傾角，從而使探測(cè)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(shuō)。

精準(zhǔn)“剎車”抓住今年唯一的近火制動(dòng)機(jī)會(huì)

在第四次中途修正后，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)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(guò)近火制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)火星捕獲。

“天問(wèn)一號(hào)”需要準(zhǔn)確識(shí)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(duì)于軌道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳‘剎車’力道大小極為考究，踩得太輕，就會(huì)飛離火星；踩得太重，又會(huì)對(duì)后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設(shè)計(jì)師高珊說(shuō)。

在完成第四次中途修正后，“天問(wèn)一號(hào)”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(guò)近火制動(dòng)實(shí)現(xiàn)火星捕獲，一步到位邁入預(yù)定環(huán)火軌道。對(duì)于“天問(wèn)一號(hào)”來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)，因?yàn)橄乱淮魏线m的窗口期是在2033年。

另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)的是通信延時(shí)，由于探測(cè)器距離地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，即將踏入環(huán)火軌道的“天問(wèn)一號(hào)”與地球的通信延遲超過(guò)了10分鐘，這意味著無(wú)法對(duì)火星捕獲情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，快速應(yīng)對(duì)。面對(duì)這樣一段“視覺(jué)盲區(qū)”，軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(cè)器在地面無(wú)法實(shí)時(shí)控制的情況下，對(duì)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(jì)團(tuán)隊(duì)在近火捕獲階段仍然全神貫注地關(guān)注著變軌過(guò)程中每一個(gè)參數(shù)、每一條曲線的變化，進(jìn)行誤差評(píng)估。這是中國(guó)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(gè)目標(biāo)，軌道設(shè)計(jì)的難度很高，在完成火星捕獲后，“天問(wèn)一號(hào)”將要面臨更大的考驗(yàn)。

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)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(wèn)一號(hào)”需要進(jìn)行多軌調(diào)整，通過(guò)精準(zhǔn)操作來(lái)不斷進(jìn)行軌道和速度的變動(dòng)，通過(guò)更加復(fù)雜的軌道控制來(lái)保證“泊車”。

在完成火星捕獲后，“天問(wèn)一號(hào)”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(dòng)，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(shí)，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(duì)軌道周期進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過(guò)預(yù)定的著陸點(diǎn)。當(dāng)“天問(wèn)一號(hào)”在停泊調(diào)相軌道上再次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)，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(duì)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(wèn)一號(hào)”能夠在奔火路上輕車熟路，離不開(kāi)五院軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的傾力支持，以及飛控隊(duì)伍幾個(gè)月來(lái)的恪盡職守。

最新消息，“天問(wèn)一號(hào)”于2月15日17時(shí)剛剛成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)。探測(cè)器上的3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，將軌道調(diào)整為經(jīng)過(guò)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）