昨天19时52分 ， 由中国航天科技集团研制的天问一号火星探测器抵达火星、顺利实施制动点火 ， 正式成为火星的人造卫星 。 这也标志着我国首次火星探测任务“绕、落、巡”三大目标中的环绕目标顺利达成 ， 为后续着陆、巡视任务的实施奠定了基础 。
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火星环绕器 ， 是实现火星捕获的主要担当 ， 由中国航天科技集团八院（上海航天技术研究院）抓总研制 。 天问一号计划于5月至6月择机实施火星着陆 ， 开展巡视探测 。
全自动“刹车”精准可控
制动捕获 ， 简单来说就是通过发动机推力减速控制 ， 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” 。 这一脚刹车至关重要 ， 关系着整个工程任务的成败 。
本次火星探测任务捕获时 ， 探测器的目标轨道距离火星最近处仅400公里 ， 一不留神就会撞击火星或飞离火星 。 捕获过程中 ， 火星环绕器需要准确地点火制动 ， 只有点火时机和时长都分秒不差 ， 才能形成理想的目标捕获轨道 。 打个比方 ， 地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速 ， 火星只是这条高速上的一个出口 ， 一旦探测器不能及时刹车、从火星出口下高速 ， 那就只能多绕一圈（需要数年时间）到下次路过该出口了 。
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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” 。
火星探测器配置了1台3000N的轨道控制发动机 ， 用来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 ， 我们只有通过方案设计 ， 充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心（物体质量集中点）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 ， 让控制方案更加可靠 。 ”环绕器副总设计师朱庆华说 。
自2020年7月23日发射以来 ， 火星探测研制团队已经持续开展了202天的在轨飞行控制任务 ， 完成了四次中途修正和一次深空机动 ， 开展了各种自检和功能验证工作 ， 对探测器的测控通信能力、能源保障能力、姿轨控能力、自主管理能力等逐一测试 ， 确保制动捕获过程涉及的功能、性能得到充分检验 。
“穿轻薄羽绒服”自主控温
面对极端温度环境与超远距离热控制的难题 ， 八院热控团队开创性提出为卫星穿上最新款超轻超薄“羽绒服” ， 给热控系统开启“自动驾驶”功能 ， 成功解决了超低温环境下的热控自适应和超远距离热控自主管理的难题 ， 为“天问一号”的奔火之路提供了一个温暖如春的“冬季”旅行环境 。
火星环绕器在地球附近受到太阳辐射最大 ， 抵达火星附近受到太阳辐射最小 ， 导致卫星外部面对温差巨大 ， 存在几百次温度交变 ， 阴影期器上极端低温低达-180℃ 。 另一方面 ， 由于火星轨道存在约2小时的超长阴影期 ， 阴影期间接受不到太阳光照 ， 导致无法储存能源 ， 如何使环绕器既能适应地球附近的高温又能适应火影期的极端低温 ， 是热控设计师首先需要解决的难题 。
热控团队一改以往近地卫星“散热为主”的设计思路 ， 大胆提出为环绕器穿羽绒服保温的思路 。 热控团队开展了多层次、多姿态、高精度热控仿真分析 ， 涵盖15个飞行阶段、20个飞行姿态 ， 精确分析出环绕器外表面漏热点的漏热量 ， 针对漏热多的区域加厚保温 ， 需要降温的区域进行减薄散热 ， 设计出一款“薄中有厚 ， 厚薄相间”超轻超薄款“羽绒服” 。
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由于火星的极端恶劣热环境 ， 仅仅采用保温设计理念肯定是不够的 。 为了兼顾近地高温和近火低温 ， 且承受进出阴影恶劣的交变热环境 ， 团队不再使用单一的加热器阈值设计思路 ， 采用加热器分档分时工作策略 ， 创造性地将加热器分成五个不同的档位在不同的时段工作 ， 并完成档位自主切换 。
火影期能源受限 ， 因此需要采用低档控温 ， 光照期能源充足 ， 将档位提高 ， 存储热能 ， 供阴影期再利用 ， 另外为了兼顾科学探测的相机安装面温度要求 ， 科学探测时采用中档控温 ， 在能源紧缺时还可以采用应急档位和超低档 ， 通过这种多档自主控温可以有效节省10%的能源 ， 达到了精准控温和节省能源的作用 。
明亮“眼睛”记录火星首图
2月5日 ， 国家航天局发布了天问一号在距离火星约220万公里处 ， 获取的首幅火星图像 。 天问一号用光学导航敏感器 ， 在浩瀚的星空中找到火星后 ， 测出相对角度 ， 然后控制天问一号精准指向火星 ， 再用高分相机对火星拍摄 ， 火星首图由此诞生 。
天问一号离开地球以后 ， 北斗等全球导航系统便逐渐派不上用场 。 而在没有北斗 ， 没有GPS的情况下 ， 茫茫太空中 ， 天问一号靠的就是光学导航敏感器实现导航引路 。
光学导航敏感器由航天科技集团八院控制所研制 ， 可以利用拍摄的恒星与火星图像 ， 精确计算出自身的飞行姿态、位置与速度 ， 实现相对火星的自主导航 。 这也是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术 。
“光学导航敏感器就好比天问一号自动驾驶过程中的‘眼睛’ 。 ”八院光学导航专家郑循江打了个比方 。 一旦有了这双明亮的眼睛 ， 在飞近火星的航行中 ， 探测器靠这双眼睛实时观测火星的距离和方向 ， 让飞控团队可以更直观地确认飞行轨道和姿态 ， 计算图像中火星的几何中心和视半径 ， 天问一号就可以通过最优估计算法来自主获取实时的位置和速度信息了 。
天问一号在飞近火星的过程 ， 导航敏感器是一只“千里眼” ， 最远可以在1000万公里的距离识别火星 ， 还能自主适应火星从点目标到面目标、从弱目标到强目标的火星图像提取 ， 从而实现即使没有外部导航信息 ， 也能够在深空飞行中自主找到前进的道路 。 这也是支撑中国未来进一步走向宇宙更远空间的重要技术之一 。
除了光学导航敏感器等拍照神器 ， 八院火星环绕器工程测量团队结合全飞行过程 ， 设计了太阳翼展开、定向天线展开、地月拍照、太空自拍、火星拍照、器器分离过程等监测任务 。 既要实现如此多的监测任务 ， 又要保证质量、功耗、体积等资源需求小 ， 团队还专门研制了一组“小块头”组成的工程测量分系统 ， 包括固连遥测探头、近距离遥测探头、国旗 。
在飞向火星的旅程中 ， 固连遥测探头一路监测天问一号的状态 ， 完成了太阳翼展开过程、定向天线展开监测 ， 在定向天线展开到位的同时拍摄到了地球 。 近距离遥测探头由控制线路盒、分离测量传感器和回拍测量传感器组成 。 分离测量传感器就是完成天问一号全貌拍摄及国旗自拍的那个“小块头” 。
有别于分离测量传感器 ， 回拍测量传感器安装于火星环绕器本体、无法实施分离 ， 但配置了100°的超大视角 ， 以尽可能的拍摄镜头中看到的一切 。
三位地球客本月将相继拜访火星
天问一号下一步看点是啥？
人类探测火星起步于20世纪60年代 ， 2020年之前共实施了44次火星探测任务 ， 但只有24次任务取得了成功或部分成功 ， 成功率54.5％ 。 让人期待的奔火之路 ， 实则步步惊心 。
地球和火星的会合周期是26个月 ， 即每隔26个月两颗行星互相接近一次 ， 出现一次“宝贵”的火星探测发射窗口期 。 2020年计划中的火星探测任务除了我国以外 ， 还有美国的毅力号火星车、阿联酋的希望号火星环绕器 。 2月10日凌晨 ， 阿联酋的希望号火星探测器经过6个多月的飞行 ， 成功进入火星轨道 ， 正式开启火星探测任务 ， 成为今年中国、美国、阿联酋三国火星探测任务中首先抵达火星轨道的探测器 。 2月10日19时52分 ， 在历经近7个月的太空航行后 ， 我国首个火星探测器天问一号也飞抵火星 ， 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 。 美国“毅力”号探测器也将在本月“拜访”火星 。
“天问一号”包括环绕器、着陆器和巡视器三部分 ， 分别装载不同的科学探测载荷 ， 目标为一次发射实现“绕、着、巡”三个探测任务 ， 这在国际上尚属首例 。 如果任务成功 ， 我国将成为世界第二个实现火星车安全着陆和巡视探测的国家 。 这次任务也是中国行星探测工程的第一步 ， 后续还要规划实施小行星探测、木星探测、火星采样返回等任务 。
顺利被火星引力场捕获后的探测器 ， 需要通过“刹车”降轨 ， 进入火星停泊轨道 。 探测器预计在火星停泊轨道上飞行近3个月 ， 观察着陆点并对着陆区进行预先探测 ， 等待进入火星窗口来临的那一刻 ， 择机释放着陆巡视器 。 环绕器和着陆巡视器一旦分离 ， 意味着难度最大、也是最危险的火星着陆环节即将到来 。
【轨道|这脚刹车踩得牛！天问一号顺利进入环火轨道，下一步看点是啥？】着陆巡视器从进入火星大气层到降落到火星表面 ， 整个过程大约只有9分钟 。 虽然时间短暂 ， 却是整个飞行任务中的一道压轴难题 。 在大约9分钟的时间里 ， 着陆巡视器要执行升力控制、弹伞开伞、抛大底、抛背罩、悬停、避障和着陆缓冲等一系列动作 ， 时间短、动作多 ， 地球上的飞控人员无法实时干预 ， 航天器只能通过预先注入的指令自主进行导航、制导与控制 。
制动捕获后 ， 等待天问一号的挑战还很多 。 此刻 ， “天问一号”仍然在奔向火星的道路上 ， 它渴望早日拥抱红色星球 ， 拥抱火星梦想 。
守护“异星”过年的你上海天文台春节连续作战陪伴天问一号环火之旅
牛年将至 ， 就在“原年人”响应号召就地过年的同时 ， 一位孤独的“游子”将在另一颗星球度过第一个春节 。 它正是执行我国首次火星探测任务的天问一号 。 离开“家乡”地球半年多了 ， 它的身体很健康 。 就在昨晚 ， 天问一号探测器实施近火捕获制动 ， 开启了环绕火星之旅 。 在遥远的“家乡” ， 无数人牵挂着这位“异星”过年“游子”的一举一动 ， 其中就包括中国科学院上海天文台甚长基线干涉测量（VLBI）测轨分系统团队 。
采访人员获悉 ， 目前VLBI测轨分系统已经观测天问一号探测器百余次 ， 测量精度达到0.1纳秒 。 自本月1日起 ， 团队将连续观测28天 ， 以支持完成近火捕获等各种动作 。 有这么多“亲人”陪伴 ， 相信远方“游子”的牛年春节 ， 不会孤单 。
“火眼金睛”为你护航
7月23日12时41分 ， 天问一号搭乘“胖五”离开了家乡的怀抱 ， 奔向遥远的火星 。 从天问一号发射开始 ， VLBI测轨分系统就瞪大“眼睛” ， 关注起天问一号的变化 。 中科院上海天文台研究员洪晓瑜告诉采访人员 ， VLBI是天问一号在各个测控段精密测定轨必不可少的手段 ， 特别是在巡航段、火星捕获段、着陆降落段、科学探测段等关键弧段发挥着至关重要的作用 。
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图说：7月23日 ， 长征五号遥四运载火箭点火升空 ， 我国首次火星探测任务开始 新华社 发
对于VLBI的大名 ， 相信你已经在我国各项航天任务中听了很多遍了 。 VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站 ， 以及位于上海天文台的VLBI指挥调度和数据处理中心组成 。 这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜 ， 测角精度可以达到千分之几角秒 ， 甚至更高 。 对中国航天来说 ， VLBI可谓功勋卓著——作为重要的“导航装备”之一 ， 它从探月开始“加入编队” ， 已经圆满完成嫦娥“五姐妹”等测定轨任务 。
“自天问一号发射之日起至8月6日 ， 我们利用VLBI测轨分系统每天执行测定轨任务 。 此后至今年1月31日进入巡航段 ， 我们每两至三天观测一次 。 在这半年多的时间内 ， 天问一号探测器历经3次轨道中途修正以及1次深空机动 。 ”洪晓瑜介绍 。 在这期间 ， 团队还要“分心”嫦娥五号和嫦娥四号中继星“鹊桥”的观测 ， 即使人手再紧张 ， 大家也克服困难 ， 保证掌握天问一号的动态 。
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图说：天问一号奔向火星 来源/中国探月工程
善其事必先利其器
作客火星 ， 可要比“嫦娥奔月”遥远上千倍 。 这对VLBI系统提出了更高精度的要求 。 “同样角度的时延误差 ， 到月球上可能就是几米的差距 ， 而放大到火星轨道上则是几公里的偏轨 。 ”中科院上海天文台研究员刘庆会说 。 这可是真正的“差之毫厘 ， 谬以千里” ， 如果精准度不能大幅提高 ， 那对远行的“游子”来说 ， 就成了不能承受之痛 。
工欲善其事 ， 必先利其器 。 在天问一号“问天”前 ， VLBI分系统团队做足了准备 。 他们克服疫情带来的不便 ， 完成了40多台套的软件和硬件的研发 ， 分别布置于四个测站和VLBI中心 ， 如VLBI中心的火星探测VLBI数据处理系统和定轨定位系统 ， 四个测站的致冷接收机、前置型数据采集终端、基准信号锁相传输系统、GNSS接收机、氢原子钟、水汽辐射计等 。 “这些软件和硬件的研发 ， 能够进一步提高观测装置的测量精度和可靠性、大气和电离层时延的改正精度 ， 更好地完成火星探测器的VLBI测定轨任务 。 ”
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图说：上海天文台VLBI中心 采访对象供图（下同）
截至2月10日 ， VLBI测轨分系统共进行了106次观测 ， VLBI时延测量精度0.1纳秒 ， 比任务要求提高了一个量级 。 时延率（指时延随着时间的变化）的测量误差不超过每秒0.3皮秒 ， 同样远优于技术指标要求 。 “这既满足了火星探测器测定轨需求 ， 也为后续火星采样返回、木星探测和其他小行星探测VLBI测轨打下了良好基础 。 ”刘庆会自豪地表示 。
强信号传回“游子家书”
牛年新春 ， VLBI测轨分系统团队的科研人员 ， 或许和休息无缘了 。 每天12时至凌晨零时 ， 他们都将坚守岗位 ， 为“异星过年”的天问一号保驾护航 。 洪晓瑜说 ， 整个2月的测控弧段很重要 ， VLBI测轨分系统也到了任务最关键的时刻 ， 要保证每天观测 ， 支持天问一号探测器完成1次平面机动以及3次近火制动等动作 。
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“要说和探月工程观测时的最大区别 ， 那还是距离造成的 。 ”刘庆会解释 ， “嫦娥‘五姐妹’的一举一动 ， 几乎可以实时看到 。 但天问一号收到家乡的‘问候’就要600多秒 ， 再‘回信’又是600多秒 。 ”这1300秒或许对普通人来说并不长 ， 但对于团队成员而言 ， 着实难熬 。
火星的这个新年注定不平凡 ， 它不得不史无前例地迎接三位远道而来的客人 。 阿联酋的“希望”号先发先至 ， 在10日凌晨已成功进入环火轨道 。 美国的“毅力”号预计在北京时间2月18日晚间到火星“拜年” 。 这几天 ， VLBI中心的大屏幕上 ， 已陆续出现探火“小伙伴”的信号 。 大家“集体拜年” ， 是否会对天问一号的探测造成干扰呢？刘庆会表示 ， 影响虽然有 ， 但并不大 。
远行的“游子”可不舍得让家乡的亲人找得太苦 ， 天问一号自身的信号就足够强 ， 让科研人员能轻松收到“家书” 。 如果有干扰 ， 科研人员还能通过接收信号的带宽调节和数据处理 ， 将其他信号“拒之门外” 。 “我们对天问一号的轨道计算过预测值 ， 对准后在做信号处理的时候会加强 ， 而对他国的信号会减弱 。 ”刘庆会说 。
天问一号 ， 新年快乐！VLBI测轨分系统团队的科研人 ， 新年快乐！
来源：新民晚报采访人员 叶薇 郜阳
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