2021年2月10日，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器順利實(shí)施近火制動(dòng)，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測(cè)器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動(dòng)后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開(kāi)展打下基礎(chǔ)。
截至目前，“天問(wèn)一號(hào)”已在軌飛行200余天，飛行里程已經(jīng)突破了4.7億公里。如何在深空“漂移”、剎車都是“天問(wèn)一號(hào)”需要邁過(guò)的坎兒。
導(dǎo)航：深空機(jī)動(dòng)，做了一次大轉(zhuǎn)彎
“天問(wèn)一號(hào)”奔赴火星之路，離不開(kāi)航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部軌道設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的星際引航。
2020年7月23日發(fā)射以來(lái)，踏上奔火高速的“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)完成了四次軌道中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)。與嫦娥系列探測(cè)器在地月空間飛行不同，“天問(wèn)一號(hào)”是星際航行，發(fā)射升空三天后已徹底脫離地球引力場(chǎng)。
在地火轉(zhuǎn)移的高速路上，“天問(wèn)一號(hào)”長(zhǎng)期處于無(wú)動(dòng)力飛行狀態(tài)，會(huì)受到入軌偏差、控制偏差和其他攝動(dòng)因素的影響，與預(yù)定軌道產(chǎn)生一定偏離，需通過(guò)中途修正調(diào)整飛行方向和速度。
深空機(jī)動(dòng)是“天問(wèn)一號(hào)”需要掌握的漂移技巧。與中途修正相比，深空機(jī)動(dòng)是控制量更大的軌控動(dòng)作，使探測(cè)器通過(guò)一次大轉(zhuǎn)彎，或者說(shuō)大漂移，從地球的公轉(zhuǎn)面進(jìn)入到火星的公轉(zhuǎn)面。“從軌道設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，深空機(jī)動(dòng)主要是為了調(diào)整探測(cè)器繞日軌道的尺寸和傾角，從而使探測(cè)器飛行的軌道滿足到達(dá)火星的需求。”軌道負(fù)責(zé)人周文艷研究員解釋。
剎車：近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)，錯(cuò)過(guò)等12年
在第四次中途修正后，“天問(wèn)一號(hào)”保持平穩(wěn)飛行軌跡抵達(dá)火星附近。從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入環(huán)火軌道，需通過(guò)近火制動(dòng)實(shí)現(xiàn)火星捕獲，完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。
“天問(wèn)一號(hào)”需要準(zhǔn)確識(shí)別通往火星的高速路標(biāo)并剎車慢行，在通往環(huán)火軌道的“匝道”上謹(jǐn)慎行駛。“對(duì)于軌道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)這腳剎車力道大小是極為考究的，踩得太輕，就會(huì)飛離火星，踩得太重，則會(huì)對(duì)后面的飛行時(shí)序產(chǎn)生巨大影響。”軌道主管設(shè)計(jì)師高珊用比喻來(lái)描述近火制動(dòng)。
完成第四次中途修正后，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入了合適的窗口期。對(duì)于“天問(wèn)一號(hào)”來(lái)說(shuō)，近火制動(dòng)只有一次機(jī)會(huì)，如錯(cuò)過(guò)，下一次合適的窗口期是2033年。
對(duì)于以28km/s高速靠近火星的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，要想被火星引力捕獲，必須在“捕獲窗口”對(duì)應(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主地完成“剎車”。理論上，給探測(cè)器一個(gè)反向推力，即可把它的速度降下來(lái)。但在工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，仍會(huì)遇到不少問(wèn)題。
火星探測(cè)器配置了1臺(tái)3000N的軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行引力捕獲時(shí)的制動(dòng)減速控制?；鹦且Σ东@窗口有限，要求探測(cè)器在10分鐘內(nèi)將速度降低約1km/s。
與常規(guī)衛(wèi)星可以由地面實(shí)時(shí)操控不同，制動(dòng)捕獲過(guò)程中，探測(cè)器距離地球1.92億公里，地球與探測(cè)器之間數(shù)據(jù)通信的單向時(shí)間延遲超過(guò)10.7分鐘，探測(cè)器必須完全依靠自身完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。
“在失去地面實(shí)時(shí)測(cè)控的環(huán)境下，我們唯有通過(guò)方案設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在偏差、探測(cè)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(guò)多因素組合的測(cè)試和仿真分析，讓控制方案更加健壯可靠。”航天科技集團(tuán)八院環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說(shuō)。
泊車：多軌調(diào)整，減速完成泊車
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成，為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸，“天問(wèn)一號(hào)”需要進(jìn)行多軌調(diào)整，不斷進(jìn)行軌道和速度的變動(dòng)，通過(guò)復(fù)雜的軌道控制來(lái)保證“泊車”。
完成火星捕獲后，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入到環(huán)火軌道，在遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行一次平面機(jī)動(dòng)，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車”工作審時(shí)度勢(shì)、奠定基礎(chǔ)。當(dāng)回到近火點(diǎn)時(shí)，它就要慢踩剎車，準(zhǔn)備更換線路，邁入到停泊調(diào)相軌道，對(duì)軌道周期進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過(guò)預(yù)定的著陸點(diǎn)。
當(dāng)“天問(wèn)一號(hào)”在停泊調(diào)相軌道上再次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)，需要進(jìn)行第三次剎車，進(jìn)入停泊軌道，并在該軌道上進(jìn)行多次維持，對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行拍攝成像，選擇合適的位置，完成“泊車”的最后一步。
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的詳細(xì)觀察與調(diào)整后，環(huán)繞器將實(shí)施火星之旅的關(guān)鍵動(dòng)作——器器分離。
在約3個(gè)小時(shí)內(nèi)，環(huán)繞器需要變軌到危險(xiǎn)的撞擊火星軌道，建立并保持著陸器進(jìn)入火星大氣所需要的姿態(tài)（姿態(tài)誤差小于0.01度）。在預(yù)定分離時(shí)刻，環(huán)繞器與著陸器必須完成分離，經(jīng)過(guò)安全距離飄飛過(guò)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。
航天科技集團(tuán)有限公司八院火星探測(cè)GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)）團(tuán)隊(duì)從20世紀(jì)70年代的美國(guó)海盜號(hào)火星探測(cè)器開(kāi)始，研究了目前國(guó)際上所有的火星探測(cè)器，并對(duì)國(guó)外的失敗和成功案例進(jìn)行了深入剖析。“我們對(duì)火星探測(cè)全過(guò)程反復(fù)推演，可以說(shuō)已經(jīng)將能想到的所有可能情況都考慮了進(jìn)去，并通過(guò)各種可能事件的組合來(lái)測(cè)試我們的方案和產(chǎn)品。”GNC系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師聶欽博說(shuō)。
