在全國人民歡度春節(jié)的日子里，中國航天人又做了一件世界矚目的大事：我國首個火星探測器天問一號成功制動捕獲，進入環(huán)月軌道。再過三個月，紅色的火星將迎來首位“中國訪客”。
火星上是否存在生命，火星上“哭泣的臉”是否是外星文明留給人類的警示……我國首顆自主火星探測器天問一號，將在人類史上第一次通過一次發(fā)射任務(wù)完成“繞、落、巡”火星探測，通過我們自己的探測器逐步揭開火星的神秘面紗。
要想揭開面紗，首先要達到火星。那么，這次天問一號的火星之旅有哪些看點，記者帶你一起細數(shù)。
看點一：不是一次“說走就走”的旅行
去火星旅行，可不像我們外出旅游那么隨意，可以說走就走。
那是因為，來場說走就走的火星之旅，難度實在有點大，目前人類的科技還做不到。要想去火星，動輒需要高達70公里/秒的逃逸速度，而目前人類的運載火箭所能提供的最大逃逸速度僅為15公里/秒左右。為了盡量節(jié)省能量，我們通常選擇“霍曼轉(zhuǎn)移”的方式來實現(xiàn)地火轉(zhuǎn)移，霍曼轉(zhuǎn)移所用的軌道是一近地點在較低高度、遠地點在較高高度的橢圓軌道，而這需要等待地球與火星公轉(zhuǎn)到特定的相對位置時發(fā)射火星探測器。
霍曼轉(zhuǎn)移軌道
地球的公轉(zhuǎn)周期約365.26天，火星的公轉(zhuǎn)周期約687.99天，因此地火的交會周期為約778天，即約26個月。也就是說，地球與火星每隔26個月才會再次出現(xiàn)一次可通過霍曼轉(zhuǎn)移實現(xiàn)軌道交會的機會，被稱之為“發(fā)射窗口”，每次的窗口約持續(xù)20天。
一旦錯過當年的窗口，那就只能等下一個兩年后了。比如歐俄聯(lián)合的ExoMars火星探測器就因為降落傘的問題一直不能解決，只能遺憾地錯過2020年7月下旬的窗口，計劃推遲到2022年9月。2020年計劃中的火星探測任務(wù)除了我國以外，還有美國的毅力號火星車、阿聯(lián)酋的希望號火星環(huán)繞器。
根據(jù)2020年的發(fā)射窗口，中國航天科技集團上海航天技術(shù)研究院研制團隊完成了地火至火星的轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計，為天問一號探測器量身定做一條通往火星的星際高速公路。正是這條高速公路的完美成型，讓我國于2020年7月23日如期在海南文昌航天發(fā)射場用長征五號將天問一號送入太空。
看點二：“豬排”地火轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計
說到地-火轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計，就不能不說到“Pork-Chop”了，即“豬排”。
當然，這肯定不是因為軌道設(shè)計師們的飲食口味，而是設(shè)計師們在進行行星際探測軌道設(shè)計時，會針對不同發(fā)射日期與到達日期，繪制所需要發(fā)射能量的等高線圖，這張等高線圖酷似兩塊豬排，“Pork-Chop”由此在業(yè)內(nèi)叫開。
為了盡可能讓火星探測器多帶點儀器設(shè)備，對火星一次看個夠，軌道設(shè)計師們需要找到一條最省能量的地火轉(zhuǎn)移軌跡。為此，設(shè)計師們首先要將復雜的地火轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計簡化為一個“地球+火星”的二體引力模型，通過求解二體模型中經(jīng)典的蘭伯特問題，得到窗口中每一對發(fā)射與到達日期所需要的能量，從而可以繪制出發(fā)射能量等高線“豬排”。
地火轉(zhuǎn)移軌道
在“豬排”圖上選定的日期作為初值，可以采用微分修正等數(shù)學方法，在一定精度的火星探測軌道動力學模型中經(jīng)過迭代計算，便可以得到用于飛行任務(wù)使用的地-火轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計結(jié)果了。
看點三：必須一次成功的“太空剎車”
2020年7月23日天問一號升空后，以近10萬千米/小時（約30千米/秒）的速度沿著地-火高速公路向前飛行。然而，即便以如此高的速度，探測器也要經(jīng)過約7個月的長途奔波才能到達火星，這時探測器需要完成關(guān)鍵的捕獲制動控制。
回顧剛剛完成天問一號制動捕獲，火星環(huán)繞器當時啟動了其配備的發(fā)動機進行推力減速，將速度降低至能夠被火星引力捕獲，最終成為一顆環(huán)繞火星的衛(wèi)星。如果速度太快，探測器當時就會飛越火星繼續(xù)圍繞太陽公轉(zhuǎn)。
打個比方，地火轉(zhuǎn)移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環(huán)高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車、從火星出口下高速，那就只能多繞一圈，到下次路過該出口了，而這需要數(shù)年的等待。
剎車制動
這樣的遺憾，已經(jīng)有不少案例。2010年12月日本的拂曉號金星探測器就由于發(fā)動機故障而未能及時完成金星捕獲制動，直接飛越金星。直到2015年12月，它才再次回到金星附近，此時它已經(jīng)接近壽命末期，還好此次捕獲成功。
其實，面對這一關(guān)鍵的剎車段，天問一號的研制團隊設(shè)計了相當靠譜的剎車方案，不僅可以準確判斷是否降至目標速度，在發(fā)動機推力減速控制的過程中，還可以全自主地對發(fā)動機推力的大小和方向進行實時判斷，并自主更新剎車參數(shù)及相應(yīng)的控制算法，最終確保了可靠、精準的完成了剎車。
看點四：精準與可靠兼顧的高難度“跳水”
成功剎車制動后，在無形的火星引力之手牽引下，經(jīng)過幾個月的詳細觀察與調(diào)整后，天問一號將實施火星之旅的另一項關(guān)鍵動作——器器分離。
在約3個小時內(nèi)，環(huán)繞器需要變軌到危險的撞擊火星軌道，建立并保持著陸器進入火星大氣所需要的姿態(tài)，而姿態(tài)的誤差要小于0.01度。在預定分離時刻，環(huán)繞器與著陸器必須完成分離，經(jīng)過安全距離飄飛過程后，環(huán)繞器需要迅速完成推力加速，以回到安全的環(huán)繞火星軌道。
環(huán)繞器猶如一名優(yōu)秀的跳水運動員，需要完成一次空中高難度的翻騰和時間精準的入水。環(huán)繞器這一系列姿態(tài)機動“翻騰”和器器分離“入水”動作必須一氣呵成。“入水”太早難以保證著陸器進入精度，“入水”太晚則會造成環(huán)繞器撞擊火星的風險。
“精準”與“可靠”如何選擇？航天設(shè)計師們的答案是“我都要”。設(shè)計師們仔細考量分離過程的潛在風險，設(shè)計了從姿態(tài)測量、速度計算、推力輸出等各因素出現(xiàn)故障情況下的自主處置預案，使得環(huán)繞器在部分推力器或敏感器失效等情況下，既能保證環(huán)繞器與著陸器實現(xiàn)準確分離，又能保證分離后環(huán)繞器安全返回環(huán)火軌道。
這場精妙絕倫的高難度“跳水”，將在3個月后上演，一定不能錯過。
