天問一號探測器進(jìn)入環(huán)火軌道

楊璐茜、高開源_綜合自國家航天局、科技日報

天問一號探測器拍攝的火星高清影像

2021年2月10日，我國首個火星探測器天問一號終于飛抵火星，并成功實(shí)施捕獲制動，精準(zhǔn)進(jìn)入環(huán)火軌道，正式開啟了環(huán)繞火星階段的探測任務(wù)。

2020年7月23日，天問一號探測器在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射，由長征五號運(yùn)載火箭直接送入地火轉(zhuǎn)移軌道。歷經(jīng)202天的太空航行，天問一號抵達(dá)火星時飛行里程約4.75×108km，距離地球約1.92×108km，器地通信單向時延約10.7min，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。

天問一號探測器拍攝的首幅火星圖像

2021年2月10日19：52，天問一號探測器實(shí)施近火捕獲制動，環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作約15min，探測器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400km，周期約10個地球日，傾角約10°的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”第一步“繞”的目標(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。

首次火星探測任務(wù)由地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入火星捕獲階段后，天問一號環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷陸續(xù)開始工作，對火星開展多維度探測。

成功“剎車” 制動時機(jī)和時長分秒不差

火星制動捕獲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。本次制動捕獲的成功，考驗(yàn)了地面測控系統(tǒng)深空高精度測定軌能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了火星環(huán)繞器的各項高可靠設(shè)計。

在此次火星探測任務(wù)捕獲時，探測器的目標(biāo)軌道距離火星最近處僅400km，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)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)，確保了探測器在預(yù)定的時間、預(yù)定的高度順利進(jìn)入捕獲走廊，實(shí)施變軌動作。

天問一號制動捕獲高清效果圖

在制動捕獲過程中，火星環(huán)繞器也面臨著諸多困難。由于制動捕獲時探測器距離地球1.92×108km，單向通信時延達(dá)到了10.7min，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。為了確保本次制動捕獲成功，火星環(huán)繞器團(tuán)隊設(shè)計了器務(wù)自主管理器雙大腦、姿軌控計算機(jī)三核心、測控通信多通道切換策略、發(fā)動機(jī)雙關(guān)機(jī)策略、3000N和120N發(fā)動機(jī)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(hù)航。

完美“側(cè)手翻” 繞火軌道“立”起來

2月15日17：00，天問一號探測器成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動。3000N發(fā)動機(jī)點(diǎn)火工作，將軌道調(diào)整為經(jīng)過火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約265km。

天問一號進(jìn)入火星軌道后，飛行軌跡是一個繞著火星的橢圓形，遠(yuǎn)火點(diǎn)則是這個橢圓軌跡上距離火星最遠(yuǎn)的一點(diǎn)。“遠(yuǎn)火點(diǎn)平面軌道調(diào)整”就是將天問一號的繞火星飛行路線從“橫著繞”變成“豎著繞”，相當(dāng)于來了個“側(cè)手翻”，這樣天問一號就能夠?qū)鹦堑膬蓸O進(jìn)行拍攝，從而完成對火星全球的遙感成像任務(wù)。

2月24日06：29，天問一號探測器成功實(shí)施第三次近火制動，進(jìn)入近火點(diǎn)280km、遠(yuǎn)火點(diǎn)5.9×105km、周期2個火星日的火星停泊軌道。探測器將在停泊軌道上運(yùn)行約3個月，環(huán)繞器7臺載荷將全部開機(jī)，開始科學(xué)探測。同時，載荷中的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、光譜儀等將對預(yù)選著陸區(qū)地形地貌、沙塵天氣等進(jìn)行詳查，為擇機(jī)著陸火星做好準(zhǔn)備。

近在咫尺 5-6月著陸火星

天問一號變軌示意圖

3月4日，在全國政協(xié)十三屆四次會議首場“委員通道”上，全國政協(xié)委員、中國科學(xué)院院士、中國航天科技集團(tuán)有限公司科技委主任包為民介紹，天問一號正以4.8km/s的速度在火星軌道上進(jìn)行環(huán)繞探測，各項指標(biāo)正常，儀器設(shè)備工作正常。

天問一號探測器拍攝的火星高清影像

在人類對太陽系的探索歷史上，火星總是給人們帶來無限的期待與遐想。截至目前，全球共開展47次對火星的探測，其中只有1/3的探索任務(wù)成功，這足以說明探火之路險象環(huán)生。天問一號起點(diǎn)高、效率高、挑戰(zhàn)大、創(chuàng)新強(qiáng)，一步就實(shí)現(xiàn)對火星的“繞、落、巡”探測，三步并作一步走，這將再創(chuàng)人類深空探測的先河。

包為民介紹，經(jīng)過綜合風(fēng)險的分析，天問一號將于5-6月，擇機(jī)著陸火星，開展后續(xù)的巡視探測。“我們真誠地希望以開放、共贏的姿態(tài)與世界同行，攜手并進(jìn)，共同為探索宇宙的奧秘奮斗，為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體而努力。”