天問一號探測器進入環(huán)火軌道

楊璐茜、高開源_綜合自國家航天局、科技日報

天問一號探測器拍攝的火星高清影像

2021年2月10日，我國首個火星探測器天問一號終于飛抵火星，并成功實施捕獲制動，精準進入環(huán)火軌道，正式開啟了環(huán)繞火星階段的探測任務。

2020年7月23日，天問一號探測器在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射，由長征五號運載火箭直接送入地火轉移軌道。歷經(jīng)202天的太空航行，天問一號抵達火星時飛行里程約4.75×108km，距離地球約1.92×108km，器地通信單向時延約10.7min，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。

天問一號探測器拍攝的首幅火星圖像

2021年2月10日19：52，天問一號探測器實施近火捕獲制動，環(huán)繞器3000N軌控發(fā)動機點火工作約15min，探測器順利進入近火點高度約400km，周期約10個地球日，傾角約10°的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)“繞、落、巡”第一步“繞”的目標，環(huán)繞火星獲得成功。

首次火星探測任務由地火轉移階段進入火星捕獲階段后，天問一號環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷陸續(xù)開始工作，對火星開展多維度探測。

成功“剎車” 制動時機和時長分秒不差

火星制動捕獲是指探測器在抵近火星時，通過主發(fā)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(huán)節(jié)之一，制動捕獲的機會是唯一的，關系著整個工程任務的成敗。

捕獲過程中，火星環(huán)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。本次制動捕獲的成功，考驗了地面測控系統(tǒng)深空高精度測定軌能力，進一步驗證了火星環(huán)繞器的各項高可靠設計。

在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400km，一不留神就會撞擊火星或飛離火星。地面測控系統(tǒng)的深空測控網(wǎng)和甚長基線干涉測量網(wǎng)通過接收探測器持續(xù)發(fā)射的高穩(wěn)定度無線電信號，經(jīng)過連續(xù)計算獲得高精度的軌道數(shù)據(jù)，確保了探測器在預定的時間、預定的高度順利進入捕獲走廊，實施變軌動作。

天問一號制動捕獲高清效果圖

在制動捕獲過程中，火星環(huán)繞器也面臨著諸多困難。由于制動捕獲時探測器距離地球1.92×108km，單向通信時延達到了10.7min，地面無法對整個過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。為了確保本次制動捕獲成功，火星環(huán)繞器團隊設計了器務自主管理器雙大腦、姿軌控計算機三核心、測控通信多通道切換策略、發(fā)動機雙關機策略、3000N和120N發(fā)動機兩重保險等多項技術，極大地提升了系統(tǒng)的可靠性，為制動捕獲過程探測器安全保駕護航。

完美“側手翻” 繞火軌道“立”起來

2月15日17：00，天問一號探測器成功實施捕獲軌道遠火點平面機動。3000N發(fā)動機點火工作，將軌道調整為經(jīng)過火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點高度調整至約265km。

天問一號進入火星軌道后，飛行軌跡是一個繞著火星的橢圓形，遠火點則是這個橢圓軌跡上距離火星最遠的一點?！斑h火點平面軌道調整”就是將天問一號的繞火星飛行路線從“橫著繞”變成“豎著繞”，相當于來了個“側手翻”，這樣天問一號就能夠對火星的兩極進行拍攝，從而完成對火星全球的遙感成像任務。

2月24日06：29，天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入近火點280km、遠火點5.9×105km、周期2個火星日的火星停泊軌道。探測器將在停泊軌道上運行約3個月，環(huán)繞器7臺載荷將全部開機，開始科學探測。同時，載荷中的中分辨率相機、高分辨率相機、光譜儀等將對預選著陸區(qū)地形地貌、沙塵天氣等進行詳查，為擇機著陸火星做好準備。

近在咫尺 5-6月著陸火星

天問一號變軌示意圖

3月4日，在全國政協(xié)十三屆四次會議首場“委員通道”上，全國政協(xié)委員、中國科學院院士、中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民介紹，天問一號正以4.8km/s的速度在火星軌道上進行環(huán)繞探測，各項指標正常，儀器設備工作正常。

天問一號探測器拍攝的火星高清影像

在人類對太陽系的探索歷史上，火星總是給人們帶來無限的期待與遐想。截至目前，全球共開展47次對火星的探測，其中只有1/3的探索任務成功，這足以說明探火之路險象環(huán)生。天問一號起點高、效率高、挑戰(zhàn)大、創(chuàng)新強，一步就實現(xiàn)對火星的“繞、落、巡”探測，三步并作一步走，這將再創(chuàng)人類深空探測的先河。

包為民介紹，經(jīng)過綜合風險的分析，天問一號將于5-6月，擇機著陸火星，開展后續(xù)的巡視探測?！拔覀冋嬲\地希望以開放、共贏的姿態(tài)與世界同行，攜手并進，共同為探索宇宙的奧秘奮斗，為構建人類命運共同體而努力?！?/p>