天问一号在距离火星约220万公里处，获取的首幅火星图像。图/国家航天局
新京报讯（记者 李玉坤）2021年2月10日，“天问一号”火星探测器顺利实施近火制动，完成火星捕获，正式踏入环火轨道。目前，探测器各系统状态良好，近火制动后入轨精度很高，为后续环火飞行的顺利开展打下基础。
截至目前，“天问一号”已在轨飞行200余天，飞行里程已经突破了4.7亿公里。如何在深空“漂移”、刹车都是“天问一号”需要迈过的坎儿。
导航：深空机动，做了一次大转弯
“天问一号”奔赴火星之路，离不开航天科技集团五院总体设计部轨道设计团队的星际引航。
2020年7月23日发射以来，踏上奔火高速的“天问一号”已经完成了四次轨道中途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”是星际航行，发射升空三天后已彻底脱离地球引力场。
在地火转移的高速路上，“天问一号”长期处于无动力飞行状态，会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响，与预定轨道产生一定偏离，需通过中途修正调整飞行方向和速度。
深空机动是“天问一号”需要掌握的漂移技巧。与中途修正相比，深空机动是控制量更大的轨控动作，使探测器通过一次大转弯，或者说大漂移，从地球的公转面进入到火星的公转面。“从轨道设计的角度来说，深空机动主要是为了调整探测器绕日轨道的尺寸和倾角，从而使探测器飞行的轨道满足到达火星的需求。”轨道负责人周文艳研究员解释。
刹车：近火制动只有一次机会，错过等12年
在第四次中途修正后，“天问一号”保持平稳飞行轨迹抵达火星附近。从地火转移轨道进入环火轨道，需通过近火制动实现火星捕获，完成日心轨道和火心轨道的顺利衔接。
“天问一号”需要准确识别通往火星的高速路标并刹车慢行，在通往环火轨道的“匝道”上谨慎行驶。“对于轨道设计来说，近火制动这脚刹车力道大小是极为考究的，踩得太轻，就会飞离火星，踩得太重，则会对后面的飞行时序产生巨大影响。”轨道主管设计师高珊用比喻来描述近火制动。
完成第四次中途修正后，“天问一号”进入了合适的窗口期。对于“天问一号”来说，近火制动只有一次机会，如错过，下一次合适的窗口期是2033年。
对于以28km/s高速靠近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主地完成“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3000N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1km/s。
与常规卫星可以由地面实时操控不同，制动捕获过程中，探测器距离地球1.92亿公里，地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟，探测器必须完全依靠自身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，我们唯有通过方案设计，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，让控制方案更加健壮可靠。”航天科技集团八院环绕器副总设计师朱庆华说。
泊车：多轨调整，减速完成泊车
“天问一号”火星探测器由环绕器与着陆巡视器组成，为了保证着陆巡视器顺利完成火星着陆，“天问一号”需要进行多轨调整，不断进行轨道和速度的变动，通过复杂的轨道控制来保证“泊车”。
完成火星捕获后，“天问一号”进入到环火轨道，在远火点进行一次平面机动，调整飞行的轨道倾角，为后续“泊车”工作审时度势、奠定基础。当回到近火点时，它就要慢踩刹车，准备更换线路，迈入到停泊调相轨道，对轨道周期进行相应调整，以保证轨迹经过预定的着陆点。
当“天问一号”在停泊调相轨道上再次到达近火点时，需要进行第三次刹车，进入停泊轨道，并在该轨道上进行多次维持，对着陆区进行拍摄成像，选择合适的位置，完成“泊车”的最后一步。
经过几个月的详细观察与调整后，环绕器将实施火星之旅的关键动作——器器分离。
在约3个小时内，环绕器需要变轨到危险的撞击火星轨道，建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态（姿态误差小于0.01度）。在预定分离时刻，环绕器与着陆器必须完成分离，经过安全距离飘飞过程后，环绕器需要迅速完成推力加速，以回到安全的环绕火星轨道。
航天科技集团有限公司八院火星探测GNC（制导、导航和控制系统）团队从20世纪70年代的美国海盗号火星探测器开始，研究了目前国际上所有的火星探测器，并对国外的失败和成功案例进行了深入剖析。“我们对火星探测全过程反复推演，可以说已经将能想到的所有可能情况都考虑了进去，并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”GNC系统主任设计师聂钦博说。
新京报记者 李玉坤
编辑 陈思 校对 卢茜
来源：新京报
