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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（采访人员 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 。
新京报采访人员 李玉坤
【火星|远航4亿公里去火星，“天问一号”要迈过哪些坎？】编辑 陈思 校对 卢茜
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