2月10日晚間，我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器成功實(shí)施近火制動，開啟環(huán)繞火星之旅。此次“天問一號”火星捕獲制動的成功，標(biāo)志著我國首次火星探測任務(wù)“繞、落、巡”三大目標(biāo)中的“環(huán)繞”目標(biāo)順利達(dá)成，為后續(xù)著陸、巡視任務(wù)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
一分鐘領(lǐng)略“天問一號”環(huán)繞火星。視頻來源：航天科技集團(tuán)八院
什么是火星捕獲制動？
火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)動機(jī)長時間點(diǎn)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(jìn)入繞火軌道。作為火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機(jī)會是唯一的，關(guān)系著整個工程任務(wù)的成敗。
捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動，只有點(diǎn)火時機(jī)和時長都分秒不差，才能形成理想的目標(biāo)捕獲軌道。
此次火星探測任務(wù)捕獲時，探測器的目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統(tǒng)的深空測控網(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(jì)算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，從而確保探測器能夠在預(yù)定時間、預(yù)定高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動作。
在捕獲制動過程中，“天問一號”面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達(dá)到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。
自2020年7月23日發(fā)射以來，研制團(tuán)隊(duì)已持續(xù)開展202天在軌飛行控制任務(wù)，完成四次中途修正和一次深空機(jī)動，開展了各種自檢和功能驗(yàn)證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進(jìn)行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗(yàn)。
近火制動示意圖。來源：航天科技集團(tuán)五院
這腳“火星剎車”，厲害！
制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機(jī)推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標(biāo)星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何“踩剎車”？面對這一難題，“天問一號”交出了一份高分答卷。
開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對于以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主、可靠地完成“剎車”。理論上，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實(shí)現(xiàn)過程中，仍會遇到不少問題。
火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動機(jī)點(diǎn)火期間的擾動，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時長的精確控制。
“在失去地面實(shí)時測控的環(huán)境下，我們只有通過方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動機(jī)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，讓控制方案更加可靠。”中國航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說。
2020年7月23日，“天問一號”探測器發(fā)射升空。新華社記者 郭程 攝
0.3%的影響也絕不忽視
在研制過程中，一次半物理仿真試驗(yàn)，探測器的捕獲制動精度與指標(biāo)要求有了明顯偏差，這使得研制團(tuán)隊(duì)高度緊張。設(shè)計(jì)方案已經(jīng)考慮了探測器燃料消耗引起的質(zhì)量變化，也考慮了推力方向偏移造成的姿態(tài)干擾等多種可能因素，為什么精度還是不夠呢？
研制團(tuán)隊(duì)隨即對捕獲制動這一過程再次進(jìn)行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動前的“沉底”時間過長，對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。
專家介紹，所謂“沉底”就是在主發(fā)動機(jī)推力減速前，先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作，通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發(fā)動機(jī)工作。
研制團(tuán)隊(duì)迅速對這一過程進(jìn)行精確量化分析，將沉底工作過程的推力減小，并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時間的計(jì)算中，通過方案優(yōu)化和進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，捕獲制動精度有了顯著提升。
為了確保這次關(guān)鍵“剎車”可靠完成，研制團(tuán)隊(duì)在四年攻關(guān)過程中，不斷對方案進(jìn)行優(yōu)化完善。中國航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)品保證師劉宇說：“我們已運(yùn)用自己的算法對一些知名的火星探測任務(wù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合。”
目前，具備自主控制能力的火星探測器已成功實(shí)施捕獲制動，讓我們共同期待后續(xù)的探火新發(fā)現(xiàn)吧。（記者：胡喆）
