揭秘天问一号如何准确刹车,抓住今年唯一的机会(如何控制天问一号)

北京日报客户记者从国家航天局获悉，北京时间2021年2月10日，中国首次火星探测任务“天问一号”火星探测器成功实施近火制动，完成火星捕获，正式进入火星周围轨道。

目前，探测器各系统状态良好。“天问一号”在亿万公里外，给祖国亲人送上新年礼物！

揭秘：“天问一号”如何准确刹车，抓住今年唯一的机会

2021年2月10日，中国航天科技集团五院抓总研发“天问一号”火星探测器成功实施近火制动，完成火星捕获，正式进入环火轨道。目前，探测器各系统状态良好，近火制动后轨道精度高，为后续环火飞行的顺利发展奠定了坚实的基础。

截至目前，“天问一号”探测器已在轨飞行200多天，飞行里程已超过4.7亿公里，“天问一号”为何能顺利奔向火星？如何熟练应对这条路？“路况”，打好“漂移”、踩好“刹车”；如何识别各种复杂的环火轨道。五院整体设计部轨道设计团队的星际引航功不可或缺。

中国航天科技集团五院“天问一号”开发团队合影 图：中国航天科技集团五院

做好导航，掌握漂移技巧

自2020年7月23日发射以来，“天问一号”探测器完成了四次轨道中间修正和一次深空机动。与嫦娥系列探测器在地月空间飞行不同，“天问一号”在星际航行中，发射和升空三天后，它完全脱离了地球的引力场。为确保其顺利运行，五院整体设计部轨道设计团队精心设计了最佳飞行轨道，制定了详细全面的控制策略，有助于“天问一号”精确飞行导航。

在地火转移的高速公路上，“天问一号”长期处于无动力飞行状态，难免会受到入轨偏差、控制偏差等摄入因素的影响，与预定轨道有一定的偏差。为了更接近理论轨道飞行，它需要轻转“方向盘”、慢踩“油门”，也就是说，飞行方向和速度的细节是通过中间修正来调整的，从而实现精细和高速奔火。

“天问一号”火星任务探测器模拟图

在高速公路上，深空机动是“天问一号”漂移技巧需要掌握。与中间修正相比，深空机动是一种控制量更大的轨道控制动作，使探测器通过大转弯或大漂移从地球转向火星，准确瞄准火星飞行。“从轨道设计的角度来看，深空机动主要是调整探测器绕日轨道的尺寸和倾角，使探测器飞行的轨道满足火星的需要。”轨道负责人周文燕研究员解释说。

准确制动，抓住今年唯一的近火制动机会

第四次中途修正后，“天问一号”探测器保持平稳的飞行轨迹到达火星附近。火星捕获需要通过近火制动从地火转移到环火轨道。

“天问一号”通往火星的高速公路需要准确识别“路标”，并“刹车”慢行，通往环火轨道“匝道”小心驾驶。“对于轨道设计，近火制动脚‘刹车’力量大小极其精致，踩得太轻，会飞离火星；踩得太重，会对后面的飞行时间产生很大的影响。”轨道设计师高珊说。

第四次中途修正完成后，“天问一号”进入合适的窗口期，必须准确踩下“刹车”，也就是说，火星捕获是通过近火制动一步到位进入预定的环火轨道。“天问一号”来说，近火制动只有一次机会，因为下一个合适的窗口期是在2033年。

另一个巨大的挑战是通信延迟。由于探测器离地球太远，即将步入环火轨道“天问一号”与地球的通信延迟超过10分钟，这意味着无法实时监控和快速处理火星捕获。面对这样一段“视觉盲区”，轨道设计团队协同控制系统分析了近1000种故障条件，确定了关键参数和阈值，确保火星探测器能够适当判断和响应可能发生的情况。

天问一号火星探测器拍摄的第一幅火星图像。新华社发布

多轨调节减速“泊车”

虽然轨道设计团队已经做好了充分的准备，但轨道设计团队仍然专注于轨道变化过程中每个参数和曲线的变化，并进行误差评估。这是中国航天器第一次到达火星附近，一次实现“绕、着、巡”轨道设计难度很大，完成火星捕获后，“天问一号”将面临更大的考验。

“天问一号”为确保着陆巡视器顺利完成火星着陆，火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成，“天问一号”需要多轨调整，通过精确操作不断改变轨道和速度，通过更复杂的轨道控制保证“泊车”。

“天问一号”火星任务探测器模拟图

火星捕获完成后，“天问一号”进入环火轨道，在远火点进行平面机动，调整飞行轨道倾角，为后续工作“泊车”奠定基础。当它回到近火点时，它必须慢慢踩“刹车”，准备更换线路，进入停泊调整轨道，相应调整轨道周期，确保轨道通过预定着陆点。当“天问一号”当停泊调相轨道再次到达近火点时，需要进行第三次“刹车”，进入停泊轨道，多次维护轨道，拍摄着陆区域，选择合适的位置，完成“泊车”最后一步是实现环绕器与着陆巡视器的分离，着陆巡视器进入火星大气，完成现阶段的所有任务。

这次，“天问一号”没有五院轨道设计团队的全力支持，没有飞行控制团队几个月的履行职责，我们就不能熟悉奔火路上的道路。“天问一号”火星着陆和火星巡逻探测将按照预定的计划进行，让我们期待更多的好消息，同时消化它的奔火策略！