圖片來源：nature.com
天問一號火星探測器拍攝的首幅火星圖像 新華社發
2月5日，國家航天局發布了天問一號火星探測器拍攝的首幅火星圖像。圖中火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑以及最長的峽谷——水手谷等標誌性地貌清晰可見。
拍攝這張照片時，天問一號與地球的距離達到1.8億多千米，離火星大約有220萬千米。
據國家航天局消息，天問一號於當日晚間啟動發動機，順利完成地火轉移段第四次軌道中途修正，以確保後續動作準確實施。此後它還要完成近火製動，被火星捕獲，進入環火軌道，成為火星的一顆衛星，並對火星進行觀測，為著陸火星做準備。
中國航天科工集團二院研究員楊宇光向記者介紹說，近火製動是火星探測過程中的重要節點之一，有一定風險。其風險主要包括幾方面，比如製動捕獲只有一次機會，機不可失；製動的時機、時長、力度等都必須十分精準。此外，探測器抵達火星時與地球距離遠，通信延時長，地面無法實時監視和控制，整個製動過程必須由探測器自主完成，這對探測器的自主控制提出了很高要求。
製動時機和時長需分秒不差
按照軌道動力學規律，當航天器接近一個天體時，如果不采取任何措施，它將與這個天體擦肩而過，整個過程形成一個雙曲線軌道。
楊宇光說，在接近過程中，航天器受天體引力影響，速度會越來越快，在距離最近時達到峰值。如果此時航天器不製動，它會逐漸遠離該天體，速度慢慢下降，最後擺脫引力飛離天體。
這一規律決定著，如果想從轉移軌道進入環繞天體運行的軌道，航天器就必須實施製動減速。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹，探測器實施製動減速時，要先調整飛行姿態，將發動機噴管朝向前方，等時機恰當時點火開機，以此降低探測器的速度。整個製動過程的控制必須十分精準。
楊宇光介紹，各國探測器飛往火星基本都採用霍曼轉移軌道，天問一號也是如此。對於以太陽為中心的引力場來說，這就是一條連接地球與火星的橢圓形軌道。當探測器抵達火星附近後，如果沒有製動或製動力不夠，它會脫離火星引力繼續環繞太陽運行，下次再跟火星交會就不知是何年何月了。這也就是前文所說製動捕獲機會的唯一性。
反之，如果力道過猛也不行。
楊宇光說，探測器製動捕獲有一個原則，軌道越低，發動機越省能量，製動效率也就越高。但對於距離上億公里的火星，探測器的位置測量和控制都可能出現誤差，如果製動點的軌道高度過低，可能導致探測器撞向火星表面。
同時，探測器並不是在某一個點把速度降到多少，而是在一個飛行弧段內持續減速，製動點火的時間需要精密計算和精準控制。如果製動時間過長導致製動力度過大，探測器也會面臨墜毀的風險。
“只有刹車時機和時長都分秒不差，才能形成理想的捕獲軌道。”龐之浩說。
與“嫦娥”製動有所不同
此前我國已成功實施的歷次探月任務中，嫦娥系列探測器均圓滿完成了近月製動，積累了豐富經驗。不過天問一號面臨的近火製動，與“嫦娥姐妹”有所不同。
最顯著的區別源自距離。
地球與月球之間的平均距離約為38.44萬千米，對於測控通信來說，延時不過約1秒鐘。而天問一號實施近火製動時，地球與火星的距離超過1.8億千米，單向通信延時達到10分鐘以上。楊宇光說，這種情況下地面無法對探測器進行實時監控，需要提前上傳指令，到時候讓探測器自主執行。
理論上，探測器的自主性可以通過設計來實現。例如製動時需要把速度降低多少，可以根據發動機推力計算需要開機的時間，照此控制。但實際上並非如此。
楊宇光說，任務過程中會有很多不確定性，比如發動機推力可能存在細微偏差，飛行器的位置、速度、姿態只能通過測量獲得，各種變數使得自主控制的複雜程度大大增加。
因此，自主控制絕非只靠地面準備指令，探測器執行就能完成，而要大量依賴於測量手段。為了確保測量準確，在執行關鍵動作的飛行器上都有多個傳感器，通過多種途徑和不同手段，結合地面測量數據，判斷測量結果是否精確。在執行指令時，也會通過傳感器來反饋執行情況。當遇到意外情況，來不及等待地面處理時，探測器也會自行判斷，然後按照預案自行應對。
此外，天問一號重達5噸多，不僅超過“嫦娥”系列探測器，甚至在世界各國行星探測器中也居首位。而它配備的，則是一台3000牛的發動機，會不會有點“小馬拉大車”？要知道，3.78噸重的嫦娥四號，主發動機推力可是達到了7500牛。
對此楊宇光表示，嫦娥四號的發動機要兼顧近月製動和月面著陸使用，因而需要較大推力。對於天問一號來說，3000牛發動機確實偏小，但這是權衡各方利弊之後的選擇。
楊宇光說，衡量發動機性能最重要的指標是比衝，比衝越高，相同條件下推進劑能產生的速度增量越大。但從另一方面說，比衝越高，發動機的質量越大，或者說，在同樣比衝情況下，發動機推力越大，體積和質量就越大。
但對於天問一號而言，則希望發動機盡量小，能把更多重量和空間留給載荷。
在兩個互相矛盾的指標之間，設計人員做出了權衡。目前的方案既能滿足載荷的需要，也能滿足製動的要求，無非是把製動點火時間延長一點而已。
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製動失敗的那些探測器
由於近火製動有一定風險，因此過去一些火星探測器在進入火星軌道時，曾出現過各種故障。
蘇聯1973年7月21日發射的火星4號探測器，於1974年2月在距離火星表面2200千米處飛越，由於製動發動機失效而沒有切入火星軌道。
1992年9月25日，美國火星觀察者探測器升空。它在太空飛行了約11個月，在1993年8月21日，也就是計劃進入火星軌道前3天發生了故障，與地面失去了聯繫。據判斷，探測器失聯的原因可能是推進系統的燃料運輸管道破裂。
日本於1998年7月3日發射的希望號火星軌道器，自發射升空以後故障不斷。按計劃，希望號應於2003年12月14日到達離火星表面894千米位置，然後進入環火軌道，但由於其電路系統受太陽風暴影響出現故障，變軌發動機無法啟動而導致任務失敗。
最冤的一次失敗來自美國的火星氣候軌道器。1999年9月23日，該探測器本應在80—90千米高度進入火星大氣層，但在軌道切入操作中，地面人員犯下了致命的低級錯誤。在探測器飛行系統軟體中，使用的是英製部門“磅”計算推進器動力，而地面人員輸入方向校正量和推進器參數時，用的卻是公製部門“牛頓”。兩種部門的混淆造成了導航誤差，使探測器直到距離火星僅57千米時才減速切入，最終導致探測器解體。
(來源:科技日報)
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