2月10日晚間，農(nóng)歷臘月廿九，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功實施近火制動，開啟環(huán)繞火星之旅。此舉也被視為此次火星探測任務(wù)的關(guān)鍵一步，意味著“天問一號”探測器已經(jīng)成功被火星引力捕獲。那么，什么是火星捕獲？“天問一號”經(jīng)歷了怎樣的奔火之旅？
出個遠(yuǎn)門：“天問一號”已經(jīng)離家200多天
飛行里程4.75億千米、飛行時間長達(dá)202天……“天問一號”過五關(guān)斬六將，經(jīng)過地火轉(zhuǎn)移的漫漫旅途后，終于來到火星附近。
從地球到火星的轉(zhuǎn)移，是漫長的旅行。火箭發(fā)射是整個飛行過程的開始，在發(fā)射37分鐘后，探測器與火箭于距離地面670千米的太空中進(jìn)行分離，探測器至此進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，在地火轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)歷了200多天的飛行，在地面測控系統(tǒng)的支持下，經(jīng)過4次中途修正和1次深空機(jī)動修正飛行路徑，環(huán)繞器逐漸飛近火星，進(jìn)入火星捕獲段。
火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)之一，由于火星捕獲窗口的唯一性，捕獲的成敗決定了火星探測任務(wù)的成敗，這一點火制動過程通常被稱為“踩剎車”。剎車踩早了，探測器速度降得過低，探測器會墜入大氣層撞擊火星；剎車踩晚了，探測器就不能被火星引力捕獲，從而飛離火星。
來自中國航天科技集團(tuán)八院的專家表示，為了精確把控發(fā)動機(jī)的開關(guān)時機(jī)，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進(jìn)行精確的無線電測定軌，再結(jié)合從環(huán)繞器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器中獲得的導(dǎo)航信息，得到環(huán)繞器和火星的精確位置。制動過程中，依靠可靠的捕獲策略，確保探測器處于“捕獲走廊”直至進(jìn)入環(huán)火軌道。
此外，制動過程還需要火星環(huán)繞器具備自主應(yīng)對器上突發(fā)故障能力，確保火星捕獲過程開展順利可靠。
火星捕獲：機(jī)會只有一次、時間僅30分鐘
捕獲段是火星探測器進(jìn)入火星的引力范圍到最終被火星捕獲的階段，是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，關(guān)系任務(wù)的成敗。地外天體捕獲制動是實現(xiàn)月球、火星等深空天體探測任務(wù)的關(guān)鍵，而捕獲制動控制技術(shù)又是決定捕獲制動是否成功的關(guān)鍵。
專家介紹，當(dāng)航天器進(jìn)入目標(biāo)天體影響球內(nèi)，相對目標(biāo)天體的軌道通常為雙曲線軌道，因此必須進(jìn)行減速機(jī)動，否則將沿著雙曲線軌道飛離目標(biāo)天體，這一減速機(jī)動過程稱為捕獲制動。
此次火星探測任務(wù)捕獲期間，探測器距離火星僅400千米，相對火星的速度卻高達(dá)4至5千米每秒。捕獲過程中，火星環(huán)繞器需準(zhǔn)確進(jìn)行點火制動，如果制動點火時間過長，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星；如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會沿拋物線軌跡飛離火星。
“打個比方，地火轉(zhuǎn)移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車從火星出口下高速，那就只能多繞一圈、花費數(shù)年到下次路過該出口了。”中國航天科技集團(tuán)八院“天問一號”探測器副總指揮張玉花說。
由于火星探測器從地球飛向火星的過程中能夠被火星引力所捕獲的機(jī)會只有一次，且時間僅30分鐘左右，不能中斷；捕獲時探測器距離地球1.92億千米，無線電通信雙向延時達(dá)20多分鐘，地面無法對這一制動過程進(jìn)行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。
剎車制動：穩(wěn)、準(zhǔn)、狠
“在太陽系里，八大行星以太陽為核心公轉(zhuǎn)，形成了八個環(huán)形軌道，其中地球位于‘三環(huán)’，火星則在‘四環(huán)’。”中國航天科技集團(tuán)六院11所副總設(shè)計師蘭曉輝介紹：“3000牛軌控發(fā)動機(jī)承擔(dān)著三項任務(wù)，一是‘三環(huán)’轉(zhuǎn)移到‘四環(huán)’過程中的姿態(tài)修正，二是‘四環(huán)’上的‘剎車制動’，三是火星附近的軌道調(diào)整。就像一位盡職盡責(zé)的快遞小哥。”
近似于真空的太空環(huán)境暗流涌動，隱藏著多種看不見的干擾因素，如星球引力攝動、太陽風(fēng)、空間輻射等。為了防止“天問一號”不打招呼地“跑偏”，設(shè)計人員綜合考慮了各種因素，進(jìn)行了大量計算，設(shè)計出了一條精密的軌道，在發(fā)射前上傳至發(fā)動機(jī)，給它了一份“離線地圖”。
火星的質(zhì)量只有地球的十分之一，引力遠(yuǎn)小于地球，探測器在近火軌道必須及時“剎車”，否則會掠過火星，這就要考驗“快遞小哥”剎車是否踩得穩(wěn)、準(zhǔn)、狠。在此次近火制動任務(wù)中，3000牛軌控發(fā)動機(jī)快速點火啟動，并在額定點長時間連續(xù)穩(wěn)定工作。
“從2010年立項到2016年定型，發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了多項考核，充分驗證了各項關(guān)鍵技術(shù)。對于3000牛發(fā)動機(jī)，我們充滿信心。”蘭曉輝說。
火星是太陽系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標(biāo)。國家航天局有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，接下來“天問一號”將按計劃進(jìn)行火星環(huán)繞、著陸和巡視，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，在火星表面開展區(qū)域巡視探測。