历史性瞬间！中国首颗火星探测器“天问一号”精准实施近火捕获制动

Mary

2021 年 2 月 10 日 19 时 52 分，中国航天再次迎来一个历史性时刻。在经过长达七个月，累计 202 天，4.75 亿公里的漫长飞行之后，中国首颗火星探测器 " 天问一号 " 精准实施近火捕获制动，成功进入近火点高度约 400 千米，周期约 10 个地球日，倾角约 10 的大椭圆环火轨道，中国的航天探测器首次到达火星！

" 天问一号 " 上的分离测量传感器拍摄的 " 天问一号 " 在太空中的美妙身姿。

难度极大，一把定输赢

火星制动捕获，顾名思义就是高速 " 行驶 " 的火星探测器在靠近火星时，通过主发动机长时间点火 " 踩一脚刹车 "，使得探测器以大速度增量减速，从而能够被火星的引力场所捕获，使得探测器能够顺利进入绕火轨道。

火星制动捕获堪称是火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。因为制动捕获的机会是唯一的，维系着整个探火任务的成败。

探测器在捕获过程中，火星环绕器需要精确地进行点火制动，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。如果探测器 " 刹车 " 太晚或是 " 刹车 " 时长不够，就会飞越火星继续围绕太阳公转，耗费数年时间等待下一个 " 制动窗口 "。而探测器如果 " 刹车 " 太早或是 " 太急 "，就有可能直接 " 撞上 " 火星。

据公开资料显示，此前前苏联、美国、日本的火星探测任务都曾在 " 火星捕获段 " 遭遇失败。 1974 年，前苏联的火星 4 号探测器在距离火星表面 2200 公里处由于制动发动机失效而没有切入火星轨道，最终飞越火星。1999 年，美国的火星气候轨道器星在实施火星制动捕获时，因轨道高度比设计值偏低，最终导致探测器进入火星大气层而被烧毁。而在 2020 年，日本的 " 希望号 " 火星探测器因为探测器上的通信和电子系统损坏，从而无法顺利实施制动捕获未能进入环火轨道。

此外，2010 年 12 月，日本的 " 拂晓号 " 金星探测器也是倒在了 " 制动环节 "，" 拂晓号 " 金星探测器的发动机由于故障未能及时完成金星捕获制动，直接飞越金星。直到 2015 年 12 月，它才再次回到金星附近捕获成功，然而此时它已经接近寿命末期。

据了解，于今晚成功实施火星制动捕获的中国的 " 天问一号 " 探测器，目标轨道距离火星最近处仅 400km，在实施火星制动捕获的时候稍有不慎就会撞击火星或飞离火星。" 天问一号 " 在靠近火星时的速度已高达 28km/s，想要被火星引力场所捕获，就要求探测器配置的 1 台 3000N 的轨道控制发动机，在 " 捕获窗口 " 对应的，有限的轨道弧段，在 10 分钟内将速度降低约 1km/s。

而与一般环绕地球的卫星由地面实时操控入轨的方式不同的是，" 天问一号 " 在火星制动捕获过程中，探测器距离地球达 1.92 亿公里，地球与 " 天问一号 " 之间数据通信的单向时间延迟超过 10.7 分钟，因此，在 " 分秒必争 " 的制动过程中，" 天问一号 " 必须完全依靠自身完成发动机的点火和关机，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。

为了确保了 " 天问一号 " 能够完美实施火星制动捕获，负责研制 " 天问一号 " 的中国航天科技集团科研团队专门为 " 天问一号 " 设计了器务自主管理器双大脑、姿轨控计算机三核心、测控通信多通道切换策略、发动机双关机策略以及 3000N 和 120N 发动机两重保险等多项技术，极大地提升了系统的可靠性。

未来步步惊心，每一步都将创造历史

成功实施火星制动捕获，标志着中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，为后续探测器的着和巡视任务的顺利实施奠定了基础。

随后，" 天问一号 " 探测器在几个月内还将进行多次轨道调整，进入火星停泊轨道，开展预选着陆区探测，计划于 2021 年 5 月实施火星探测之旅中的另一项关键动作——环绕器和着陆巡视器 " 两器分离 "，最终将实现火星着陆，开展巡视探测。

据了解，接下来的 " 两器分离 " 环节需要探测器在约 3 个小时内首先变轨到存在撞击火星风险的轨道上，建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态，且姿态误差必须小于 0.01 度。而到了预定分离的时刻，环绕器与着陆器必须迅速完成分离，在经过安全距离飘飞过程后，环绕器需要立马完成推力加速，以回到安全的环绕火星轨道上。这一过程中，无论是 " 降轨 " 还是 " 升轨 " 都需要对时间有精准的把控，太早难以保证着陆器进入精度，太晚则会造成环绕器撞击火星的风险。整个 " 器器分离 " 环节颇具看点，值得期待。

" 天问一号 " 上的分离测量传感器拍摄的 " 天问一号 " 上的国旗。

" 天问一号于 2020 年 7 月 23 日成功发射升空，是中国行星探测计划中的首个任务，计划通过一次发射完成火星探测 " 环绕及着陆巡视 " 的壮举，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。" 天问一号 " 火星探测任务是我国 " 两个一百年 " 进程中的重大成就和标志，是中国航天迎接建党 100 周年的重要工程之一，也是中国航天走向更远深空的里程碑工程。