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任务|我国首次火星探测任务环绕火星成功

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2月10日19时52分 ， 中国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动 ， 环绕器3000牛轨控发动机点火工作约15分钟 ， 探测器顺利进入近火点高度约400千米 ， 周期约10个地球日 ， 倾角约10°的大椭圆环火轨道 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 ， 实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标 ， 环绕火星获得成功 。
北京青年报采访人员从国家航天局了解到 ， 首次火星探测任务由地火转移阶段进入火星捕获阶段后 ， “天问一号”环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷将陆续开始工作 ， 对火星开展多维度探测 。
自2020年7月23日成功发射以来 ， “天问一号”探测器已累计飞行202天 ， 完成1次深空机动和4次中途修正 ， 抵达火星时飞行里程约4.75亿千米 ， 距离地球约1.92亿千米 ， 器地通信单向时延约10.7分钟 ， 各系统状态良好 。
据悉 ， 后续“天问一号”还将经过多次轨道调整 ， 进入火星停泊轨道 ， 开展预选着陆区探测 ， 计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆 ， 开展巡视探测 。
据介绍 ， 火星捕获制动是指探测器在抵近火星时 ， 通过主发动机长时间点火 ， 使得在行星际空间高速飞行的探测器大速度增量减速 ， 从而能够被火星引力场捕获 ， 进入绕火轨道 。 作为火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 ， 制动捕获的机会是唯一的 ， 关系着整个工程任务的成败 。
北青报采访人员从国家航天局了解到 ， 捕获过程中 ， 火星环绕器需要准确地进行点火制动 ， 只有点火时机和时长都分秒不差 ， 才能形成理想的目标捕获轨道 。
揭秘
多项“黑科技”助航天器飞抵火星
在“天问一号”顺利实施近火制动、完成火星捕获、准确进入火星轨道的过程中 ， 距离地球1.9亿公里的“天问一号”与地球之间的通信延时近11分钟 。 地面如何得知火星探测器是否已进入正确轨道？其准确位置在哪里？工作状态怎么样？从地球向其发出的指令能否正确传达并被准确执行？这些关键环节都要靠中国航天科技集团的多款拥有自主知识产权的“黑科技”产品 。
如何确保探测器顺利进入捕获走廊？
此次火星探测任务捕获时 ， 探测器的目标轨道距离火星最近处仅400千米,一不留神就会撞击火星或飞离火星 。 地面测控系统的深空测控网通过接收探测器持续发射的高稳定度无线电信号 ， 经过连续计算获得高精度的轨道数据 ， 从而确保探测器能够在预定时间、预定高度顺利进入捕获走廊 ， 实施变轨动作 。
由于捕获制动时探测器距离地球1.92亿千米 ， 单向通信时延达到了10.7分钟 ， 地面无法对整个过程进行实时监控 ， 只能依靠探测器自主执行捕获策略 。
自2020年7月23日发射以来 ， 研制团队已持续开展202天在轨飞行控制任务 ， 完成四次中途修正和一次深空机动 ， 开展了各种自检和功能验证工作 ， 对探测器的测控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等进行了测试 ， 确保捕获制动过程涉及的功能、性能得到充分检验 。
如何“踩刹车”？
制动捕获 ， 简单来说就是通过发动机推力减速控制 ， 来降低探测器的速度 ， 使其能够被目标星体的引力所捕获 ， 这一动作也被形象地称为“踩刹车” 。 但到底如何“踩刹车”？面对这一难题 ， “天问一号”交出了一份高分答卷 。
开车的人都知道 ， 在高速公路下匝道时需要让车速降下来才能安全过弯 。 对于以28千米每秒高速靠近火星的探测器来说 ， 要想被火星引力捕获 ， 也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段 ， 精准、自主、可靠地完成“刹车” 。 理论上 ， 给探测器一个反向推力 ， 即可把它的速度降下来 。 但在工程实现过程中 ， 仍会遇到不少问题 。
火星探测器配置了1台3000牛的轨道控制发动机 ， 进行引力捕获时的制动减速控制 。 火星引力捕获窗口有限 ， 要求探测器在10分钟内将速度降低约1千米每秒 。 过程中 ， 探测器必须完全依靠自己完成发动机点火和关机 ， 克服发动机点火期间的扰动 ， 实现点火方向和点火时长的精确控制 。
“在失去地面实时测控的环境下 ， 我们只有通过方案设计 ， 充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心不断变化等情况 ， 全自主执行精确轨道控制；再通过多因素组合的测试和仿真分析 ， 让控制方案更加可靠 。 ”中国航天科技集团八院环绕器副总设计师朱庆华说 。
哪些“黑科技”助航天器飞抵火星？
火星环绕器的捕获制动是本次火星探测任务的难点之一 。 火星环绕器在捕获火星轨道时 ， 要保证火星环绕器精确入轨 ， 就需要九院研制的火星环绕器GNC分系统加表组合 。 它能实现对环绕器的加速度进行精确测量 ， 控制系统通过返回参数控制发动机实施制动操作 ， 从而使探测器能够准确进入火星轨道 。
在进入火星轨道时 ， 探测器需要实施近火制动 。 此时探测器距离地球近1.9亿公里 ， 发动机点火时间为1000多秒 ， 届时通信延时近11分钟 ， 地面无法对这一制动过程进行实时监控 。 这时就该九院自主研制的X频段深空应答机出场了 。 为研制这一深空领域国内首台X频段高灵敏数字化应答机 ， 研制人员攻克了4亿公里地火远距离通信技术等多项关键技术难题 ， 达到了国际先进水平 。
随着“天问一号”与地球距离的持续增大 ， 地面接收到的信号变得极其微弱 。 这对测控通信系统来说是前所未有的考验 。 为此 ， 我国自主研制成功了运用天线组阵技术的深空测控系统 ， 用于接收探测器从数亿公里外发出的信号 ， 同时将地面指挥控制命令发往探测器 。 九院为该系统研制了世界一流水平的天线组阵信号采集与数据记录、信号合成及解调处理设备两个关键分系统设备 。 同时 ， 深空应答机与深空测控天线组阵设备共同构成了火星探测器与地球的唯一信息桥梁 ， 关系到整个任务的成败 。
链接
火星最近有点儿“挤”
火星近期将变得有点拥挤：美国、中国和阿联酋都在2020年7月的地球-火星发射“窗口期”发射了火星探测器 ， 三个探测器都计划于本月抵达火星 。
【任务|我国首次火星探测任务环绕火星成功】其中 ， 阿联酋的“希望号”火星探测器2月9日已经进入火星轨道 ， 正式开始为期2年的轨道飞行探测活动 。 与中、美的火星表面探测任务不同 ， “希望号”将只是围绕火星进行各项测量工作 ， 研究火星大气及火星日周期和季节周期 ， 获得火星气候变化的普遍规律 。
美国的“毅力号”火星车预计将于2月18日在火星表面着陆 ， 成为美国在火星上投放的第五辆火星车 。 目前火星上还有美国“机遇号”和“勇气号”两个火星探测器在工作 ， 美国通过这两个火星探测器获得了丰富的火星数据 。 据外媒报道 ， “毅力号”将直接在火星杰泽罗陨石坑实施软着陆 ， 目标是寻找火星上的生命迹象 ， 并采集火星地质样本 。
中国的“天问一号”也有火星登陆器和火星探测车的活动 。 “天问一号”在环绕火星轨道飞行一段时间后 ， 计划于今年5月至6月择机实施火星着陆 ， 开展巡视探测 。
本组文/本报采访人员 雷嘉 通讯员 杨璐

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