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火星到了！这一脚“刹车”有多重要？

2021年2月10日晚，在历经近7个月的太空航行后，由中国航天科技集团研制的我国首个火星探测器天问一号终于飞抵火星，并成功实施捕获制动，精准进入环火轨道，正式开启了环绕火星阶段的探测任务。
制动捕获，简单来说，就是通过发动机推力减速控制，来降低探测器的速度，使其能够被目标星体的引力所捕获，这一动作也被形象地称为“踩刹车”。
不过到底“如何踩刹车？”面对这一工程问题，中国航天科技集团研制团队不仅做到了精准“刹车”，更实现了全过程由探测器自主完成这一高难度动作，交出了一份高分答卷。
【火星到了！这一脚“刹车”有多重要？】火星到了！这一脚“刹车”有多重要？
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让探测器实现全自动“刹车”
开车的人都知道，在高速公路下匝道需要让车速降下来才能安全过弯。类似的，对于以每秒28公里高速靠近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠完成“刹车”。理论上，给探测器一个反向推力，即可把它的速度降下来。
但在工程实现过程中，仍会遇到不少问题。
中国航天科技集团八院天问一号探测器的环绕器副总设计师朱庆华告诉采访人员，火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机，进行引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限，要求探测器在10分钟内将速度降低约每秒1公里。与常规卫星可以由地面实时操控不同，制动捕获过程中，探测器距离地球1.92亿公里，地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。
“在失去地面实时测控的环境下，我们惟有通过方案设计，充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况，全自主执行精确轨道控制；再通过多因素组合的测试和仿真分析，让控制方案更加健壮可靠。”朱庆华说。
研制团队从20世纪70年代的美国海盗号火星探测器开始，研究了目前国际上所有的火星探测器，并对国外的失败和成功案例进行深入剖析。
环绕器GNC系统主任设计师聂钦博说，“我们对火星探测全过程反复推演，可以说已经将我们能想到的所有可能情况都考虑了进去，并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”
近火制动只有一次机会
自2020年7月23日发射以来，踏上奔火高速的天问一号已经完成了四次轨道中途修正和一次深空机动。与嫦娥系列探测器在地月空间飞行不同，“天问一号”是在进行星际航行，发射升空三天后已经彻底脱离了地球的引力场。因此，为了确保它能够顺利奔火，中国航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队悉心为它设计了最优的飞行轨道，助力“天问一号”在导航中精准飞行。
五院总体设计部专家表示，在地火转移的高速路上，“天问一号”长期处于无动力飞行状态，难免会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响，与预定轨道产生一定的偏离。为了更接近理论轨道飞行，它就需要轻转“方向盘”、慢踩“油门”，即通过中途修正的方式来进行飞行方向和速度的细节调整，从而实现精细跃动、高速奔火。
在高速奔火的路上，深空机动是“天问一号”需要掌握的漂移技巧。与中途修正相比，深空机动是控制量更大的轨控动作，使探测器通过一次大转弯、或者说大漂移，从地球的公转面进入到火星的公转面上，精确瞄准火星飞行。
轨道负责人周文艳研究员说，“从轨道设计的角度来说，深空机动主要是为了调整探测器绕日轨道的尺寸和倾角，从而使探测器飞行的轨道满足到达火星的需求。”
在第四次中途修正后，“天问一号”保持着平稳的飞行轨迹抵达火星附近，在中国人民欢度春节的日子里，火星迎来了新的探寻者。从地火转移轨道进入到环火轨道，需要通过近火制动来实现火星捕获，完成日心轨道和火心轨道的顺利衔接。
轨道主管设计师高珊说，天问一号需要准确识别通往火星的高速路标并刹车慢行，在通往环火轨道的“匝道”上谨慎行驶。“对于轨道设计来说，近火制动这脚刹车力道大小是极为考究的——踩的太轻，就会飞离火星，踩的太重，则会对后面的飞行时序产生巨大影响。”
在完成第四次中途修正后，“天问一号”火星探测器进入到了合适的窗口期，它必须精准地踩下刹车，即通过近火制动实现火星捕获，一步到位迈入预定环火轨道。对于“天问一号”来说，近火制动只有一次机会，因为下一次合适的窗口期是在 2033年。

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