什麼是火星捕獲制動？這腳「刹車」有多難？解答來了

 
  2月10日晚間，我國首次火星探測任務「天問一號」探測器成功實施近火制動，開啟環繞火星之旅。此次「天問一號」火星捕獲制動的成功，標誌著我國首次火星探測任務「繞、落、巡」三大目標中的「環繞」目標順利達成，為後續著陸、巡視任務的實施奠定了基礎。
　　什麼是火星捕獲制動？
　　火星捕獲制動是指探測器在抵近火星時，通過主發動機長時間點火，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，進入繞火軌道。作為火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，制動捕獲的機會是唯一的，關係著整個工程任務的成敗。
　　捕獲過程中，火星環繞器需要準確地進行點火制動，只有點火時機和時長都分秒不差，才能形成理想的目標捕獲軌道。
　　此次火星探測任務捕獲時，探測器的目標軌道距離火星最近處僅400千米,一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統的深空測控網通過接收探測器持續發射的高穩定度無線電信號，經過連續計算獲得高精度的軌道數據，從而確保探測器能夠在預定時間、預定高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。
　　在捕獲制動過程中，「天問一號」面臨諸多挑戰。由於捕獲制動時探測器距離地球1.92億千米，單向通信時延達到了10.7分鐘，地面無法對整個過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。
　　自2020年7月23日發射以來，研製團隊已持續開展202天在軌飛行控制任務，完成四次中途修正和一次深空機動，開展了各種自檢和功能驗證工作，對探測器的測控通信能力、能源保障能力、自主管理能力等進行了測試，確保捕獲制動過程涉及的功能、性能得到充分檢驗。

近火制動示意圖。來源：航天科技集團五院
　　這腳「火星刹車」，厲害！
　　制動捕獲，簡單來說就是通過發動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為「踩刹車」。但到底如何「踩刹車」？面對這一難題，「天問一號」交出了一份高分答卷。
　　開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來才能安全過彎。對於以28千米每秒高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，也必須在「捕獲窗口」對應的軌道弧段，精準、自主、可靠地完成「刹車」。理論上，給探測器一個反嚮推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現過程中，仍會遇到不少問題。
　　火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低約1千米每秒。過程中，探測器必須完全依靠自己完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向和點火時長的精確控制。
　　「在失去地面實時測控的環境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自主執行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。」中國航天科技集團八院環繞器副總設計師朱慶華說。

2020年7月23日，「天問一號」探測器發射升空。新華社記者 郭程 攝
　　0.3%的影響也絕不忽視
　　在研製過程中，一次半物理仿真試驗，探測器的捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差，這使得研製團隊高度緊張。設計方案已經考慮了探測器燃料消耗引起的質量變化，也考慮了推力方向偏移造成的姿態干擾等多種可能因素，為什麼精度還是不夠呢？
　　研製團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析，終於發現，制動前的「沉底」時間過長，對捕獲控制的速度增量產生了約0.3%的影響。
　　專家介紹，所謂「沉底」就是在主發動機推力減速前，先啟動維持探測器姿態控制的小推力器工作，通過姿態控制推力器產生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發動機工作。
　　研製團隊迅速對這一過程進行精確量化分析，將沉底工作過程的推力減小，並將沉底過程對速度增量的影響引入到主發動機關機時間的計算中，通過方案優化和進一步仿真驗證，捕獲制動精度有了顯著提昇。
　　為了確保這次關鍵「刹車」可靠完成，研製團隊在四年攻關過程中，不斷對方案進行優化完善。中國航天科技集團八院環繞器GNC分系統產品保證師劉宇說：「我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務進行仿真，仿真結果與國際上公佈的數據非常吻合。」
　　目前，具備自主控制能力的火星探測器已成功實施捕獲制動，讓我們共同期待後續的探火新發現吧。（記者 胡喆）