天問一號：為登上火星做好準備

2021-02-25 07:48 來源： 人民日報海外版

進入停泊軌道 開始科學(xué)探測
天問一號：為登上火星做好準備

2月24日，中國首次火星探測任務(wù)天問一號再傳喜訊。當(dāng)日6時29分，天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入近火點280千米、遠火點5.9萬千米、周期兩個火星日的火星停泊軌道。

事實上，在剛剛過去的春節(jié)假期，天問一號相當(dāng)“忙碌”。2月10日，探測器抵達火星軌道，成為中國首顆人造火星衛(wèi)星；2月12日，天問一號火星捕獲過程影像公開，從距離地球1.9億公里之外傳回新春的祝福；2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠火點平面機動……

進入停泊軌道后，天問一號探測器將在此運行約3個月，環(huán)繞器7臺載荷將全部開機，開始科學(xué)探測，并為擇機著陸火星做好準備。

制動捕獲闖難關(guān)

天問一號探測器在經(jīng)過長途飛行后，如何及時制動并最終被火星捕獲，是任務(wù)中風(fēng)險最高、難度最大的環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系到探測任務(wù)的成敗。

捕獲過程難在哪兒？探測器抵達火星軌道附近時，距離火星只有400公里，但相對火星的速度卻高達4至5公里每秒。因此，探測器必須點火制動、及時“剎車”。否則，如果制動時間過長、剎車踩早了，探測器就會一頭撞向火星；如果時間過短、晚踩剎車，探測器就會因速度過快而飛離火星，無法進入環(huán)繞軌道。

在此過程中，探測器能夠被火星引力捕獲的機會僅有一次，“窗口期”更是只有半個小時。要想實現(xiàn)完美捕獲，天問一號不僅要靠地面的指令，更要在關(guān)鍵時刻依靠自己的“智慧”進行決斷。

在歷次嫦娥探月任務(wù)中，中國成功實施了多次近月制動。雖然同樣是制動，近火制動的難度要比近月制動更大。地月平均距離約38萬公里，單向通信時延只有1秒左右。大多數(shù)情況下，地面可以直接控制月球探測器的動作。但天問一號探測器被火星捕獲時，火星探測器距離地球約1.9億公里，單向通信時延達10分鐘以上。地面無法對制動過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略，這對于環(huán)繞器的自主導(dǎo)航與控制提出了極高要求。

專家表示，為了精確把控發(fā)動機的開關(guān)時機，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進行精確的無線電測定軌。除了無線電通信導(dǎo)航外，天問一號還首次利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器作為備份導(dǎo)航工具，通過探測器上的一雙“眼睛”實時觀測環(huán)繞器和火星的精確位置。地面團隊可借此更直觀地確認飛行軌道和姿態(tài)，計算圖像中火星的幾何中心和視半徑。天問一號可以通過最優(yōu)估計算法自主獲取實時位置和速度信息，依靠可靠的捕獲策略，確保進入環(huán)火軌道。

據(jù)了解，這是中國首次在行星際轉(zhuǎn)移飛行過程中應(yīng)用光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)，中國也由此成為世界上第二個掌握并在軌驗證火星光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)的國家。

此外，在制動過程中，環(huán)繞器需要在自身出現(xiàn)突發(fā)狀況時自主完成相應(yīng)處理，以最大限度保證火星捕獲成功。為了解決超遠距離通信問題，火星環(huán)繞器還裝備了測控數(shù)傳一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。

多維探測“打前站”

成功被火星捕獲并完成“繞、著、巡”的第一步后，天問一號還有多項新任務(wù)——既要對火星開展多維度探測，更要為下一步著陸火星做好準備。

2月15日，天問一號進行遠火點平面機動，探測器的飛行從繞著火星赤道變成繞著火星南北極。2月24日，探測器經(jīng)過第三次近火制動進入火星停泊軌道。專家表示，這幾次軌道的調(diào)整，就是為了讓天問一號“考察”之前選中的著陸點。

天問一號的探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成。從發(fā)射到近火制動的過程中，環(huán)繞器主要承擔(dān)飛行任務(wù)；火星捕獲后，環(huán)繞器將為著陸巡視器進行著陸預(yù)報；成功釋放著陸巡視器后，環(huán)繞器將作為通信器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通信鏈路；火星車3個月的工作結(jié)束后，環(huán)繞器還將繼續(xù)進行長達一個火星年即將近兩個地球年的深度探測。

據(jù)專家介紹，為了給火星車和著陸平臺“打前站”，環(huán)繞器將用攜帶的中分和高分相機、磁強計、礦物光譜分析儀等設(shè)備對火星開展多維度探測，包括對預(yù)定著陸區(qū)進行詳細的地形、地貌探測，對著陸區(qū)附近大幅寬、大面積的區(qū)域進行沙塵暴探測，為火星探測任務(wù)第二步的“著”提供預(yù)報，并擇機實施火星著陸。

在天問一號探測器一路奔火的途中，中國首輛火星車1∶1復(fù)制試驗車仍在持續(xù)進行地面驗證，為著陸后可能遇到的情況做準備。著陸巡視器在火星表面軟著陸成功后，火星車將在科學(xué)任務(wù)軌道上對火星的地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)、水冰分布、表面的物質(zhì)成分以及火星的空間環(huán)境進行探測，最終將形成火星全球圖。

麒麟、哪吒、追夢、星火……盡管中國火星車的姓名尚未最終出爐，但其“百般武藝”早已深入人心?；鹦擒嚺鋫淞四鼙荛_障礙、實施前行實時探測的全景相機，識別礦物質(zhì)成分的多光譜相機。同時，火星車還裝有4個“翅膀”——太陽能電池板。除此之外，火星車還配有探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀，可以對火星進行全方位探測。裝在火星車上的次表層探測雷達將對火星地表以下10米甚至100米深度的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行“透視”，探測巡視區(qū)表面土壤厚度、冰層結(jié)構(gòu)，獲取火星地表和次表層超寬帶全極化回波數(shù)據(jù)，并探測巡視區(qū)次表層結(jié)構(gòu)，獲取次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

中國首輛火星車的設(shè)計壽命為90個火星日。由于火星上的一天比地球略長（火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時37分鐘），因此火星車將在火星上工作92個地球日。

與環(huán)繞器火星捕獲相似，由于地火遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時，火星光照強度小，再加上火星大氣對陽光的削減作用，火星車能源供給比月球車更為困難——這些因素都使得火星探測任務(wù)更具難度和復(fù)雜性。