2月10日19時52分，我國首次自主火星探測器天問一號按照預設程序開始實施火星制動捕獲，主發(fā)動機點火工作約15分鐘，成功進入環(huán)繞火星軌道。其中，實施制動捕獲的環(huán)繞器由中國航天科技集團八院抓總研制。

此次天問一號火星制動捕獲的成功標志著我國首次火星探測任務“繞、落、巡”三大目標中的環(huán)繞目標順利達成，為后續(xù)著陸、巡視任務的實施奠定了基礎。

天問一號自拍照。 本文圖片來源：國家航天局

“太空剎車”有多難？

火星制動捕獲是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)動機長時間點火，使得在行星際空間高速飛行的探測器大速度增量減速，從而能夠被火星引力場捕獲，進入繞火軌道，這就好比要踩一腳“太空剎車”。作為火星探測任務中技術(shù)風險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機會是唯一的，關(guān)系著整個工程任務的成敗。捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。

這一腳“太空剎車”極為關(guān)鍵，直接關(guān)系到火星探測任務成功與否。如果這一腳“太空剎車”踩早了，速度降得過低，探測器就會墜入火星大氣層，在大氣層解體或撞擊火星表面；如果踩晚了，探測器器則不能被火星引力捕獲，從而飛離火星，圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。

1960年10月10日，蘇聯(lián)發(fā)射了人類首顆火星探測器（“火星”-1960A），拉開了人類探測火星的序幕。從1960年至今，人類實施了50余次火星探測任務，但接近三分之二任務以失敗告終，其中一個關(guān)鍵的原因是探測器未成功完成火星制動程序。比如，蘇聯(lián)1973年7月21日發(fā)射的“火星”-4號探測器在距離火星表面2200千米處飛越，由于制動發(fā)動機失效而沒有進入火星軌道。美國的火星探測成功率比較高，但也有幾次任務因未能完成制動而失敗。比如1999年9月23日發(fā)射的“火星氣候軌道器”也因制動失敗導致整個任務失敗。

本次天問一號火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,相對火星的速度卻高達4－5km／s，制動的“時間窗口”僅為半個小時左右，一不留神就會撞擊火星或飛離火星。本次任務中，地面測控系統(tǒng)的深空測控網(wǎng)和甚長基線干涉測量網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號，經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測器能夠在預定的時間、預定的高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。

天問一號火星探測器拍攝的首幅火星圖像。

揭秘承擔“太空剎車”重任的環(huán)繞器

在本次天問一號制動捕獲中，火星環(huán)繞器獨自承擔了“太空剎車”重任，制動成功也進一步驗證了火星環(huán)繞器的各項高可靠設計。

據(jù)首次火星探測任務探測器系統(tǒng)副總指揮兼環(huán)繞器總指揮張玉花介紹，火星環(huán)繞器采用“外部六面柱體＋中心承力錐筒”構(gòu)型。

在制動捕獲過程中，火星環(huán)繞器面臨著諸多困難。由于制動捕獲時探測器距離地球1.92億公里，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。為了確保本次制動捕獲成功，中國航天科技集團八院火星環(huán)繞器團隊設計了器務自主管理器雙大腦、姿軌控計算機三核心、測控通信多通道切換策略、發(fā)動機雙關(guān)機策略、3000牛和120牛發(fā)動機兩重保險等多項技術(shù)，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性，為制動捕獲過程探測器安全保駕護航。

首次火星探測任務探測器系統(tǒng)副總師兼環(huán)繞器總設計師王獻忠介紹，獨自承擔“太空剎車”重任的環(huán)繞器“耳聰目明”，行動決策“科學民主”，根據(jù)實際情況采用最優(yōu)解。

環(huán)繞器配備了1臺3000牛推力的軌道控制發(fā)動機，進行引力捕獲時的制動減速控制?；鹦且Σ东@窗口有限，要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米/秒。與常規(guī)衛(wèi)星可以由地面實時操控不同，制動捕獲過程中，探測器距離地球遠，地球與探測器之間數(shù)據(jù)通信的單向時間延遲超過10.7分鐘，探測器必須完全依靠自身完成發(fā)動機點火和關(guān)機，克服發(fā)動機點火期間的擾動，實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。

“在失去地面實時測控的環(huán)境下，我們惟有通過方案設計，充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加健壯可靠。”環(huán)繞器副總設計師朱慶華說道。

據(jù)悉，團隊從20世紀70年代的美國海盜號火星探測器開始，研究了目前國際上所有的火星探測器，并對國外的失敗和成功案例進行深入剖析?！拔覀儗鹦翘綔y全過程反復推演，可以說已經(jīng)將我們能想到的所有可能情況都考慮了進去，并通過各種可能事件的組合來測試我們的方案和產(chǎn)品。”GNC系統(tǒng)（制導、導航與控制分系統(tǒng)）主任設計師聶欽博說道。

天問一號探測器，環(huán)繞器采用“外部六面柱體＋中心承力錐筒”構(gòu)型。

環(huán)繞器上配備了光學導航敏感器和紅外導航敏感器，能自主進行定位。光學導航敏感器采用“恒星姿態(tài)識別＋硬脈沖校時”技術(shù)，確保時空對準，通過亞像素級圖像處理，獲取火星輪廓并解算出自身位置。紅外導航敏感器，采用復合的探測方式，通過對火星凝視成像，檢測火星圖像邊緣，輔助環(huán)繞器完成軌道測量。

此外，環(huán)繞器在近火捕獲前，地面也將對其進行一次精確的無線電測定軌。結(jié)合環(huán)繞器上光學自主導航儀器的導航信息，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”，直至進入環(huán)火軌道。

環(huán)繞器是一名副其實的“太空多面手”，不僅承擔了“太空剎車”的重任，還肩負著中繼通信的重任?；鹦翘綔y器通信時延是月球探測器的1000倍，信號衰減是月球探測器的100萬倍。環(huán)繞器距離地球最遠時，單向通信延時達到22分鐘，一來一回通信將會延遲44分鐘，并且還會遇到信號衰減、太陽輻射干擾等難題。

如何解決如此復雜的超遠距離深空通信？張玉花，八表示院研制團隊開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，成功研制了以“超高靈敏度應答機”和“大口徑可兩維驅(qū)動天線”為核心的X頻段“測控數(shù)傳一體化”測控系統(tǒng)。

據(jù)悉，自2020年7月23日發(fā)射以來，火星探測研制團隊已經(jīng)持續(xù)開展了202天的在軌飛行控制任務，完成了四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、姿軌控能力、自主管理能力等進行了測試，確保制動捕獲過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。

后續(xù)，火星環(huán)繞器研制團隊將繼續(xù)發(fā)揚嚴慎細實的工作作風，為著陸巡視器登陸火星開展巡視探測任務、科學載荷遙感探測獲取原創(chuàng)成果、天問一號探測任務的圓滿成功做好支撐。