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地球|距离地球1.92亿公里 揭秘“天问一号”这一脚高难度“刹车”

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地球|距离地球1.92亿公里 揭秘“天问一号”这一脚高难度“刹车”
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效果图 。 中国航天科技集团八院 供图
中新网上海2月10日电 (郑莹莹 郭超凯)北京时间2月10日晚 ， 中国首次自主火星探测器天问一号成功实施“制动捕获” ， 随后进入环绕火星轨道 。
作为中国此次火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 ， “制动捕获”这一动作被形象称为“踩刹车” 。 中国航天科技集团八院的专家解析了这一关键动作背后的难度 。
仿若汽车减速进匝道
开车的人都知道 ， 在高速公路下匝道需要让车速降下来 ， 才能安全经过弯道 。 类似的 ， 对于以高速度向着火星靠近的探测器来说 ， 要想被火星引力所捕获 ， 也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段 ， 精准、自主可靠地完成“刹车” 。
“制动捕获” ， 简单来说 ， 就是通过发动机进行推力减速 ， 降低探测器的速度 ， 使其能够被目标星体的引力所捕获 。
理论上 ， 给探测器一个反向推力 ， 即可把它的速度降下来 。 但在工程实施过程中 ， 仍会遇到不少问题 。
距离地球1.92亿公里的全自动“刹车”
火星引力的“捕获窗口”有限 ， 要求探测器在15分钟内将速度从28km/s(公里每秒)降低至约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 ， 天问一号探测器距离地球约1.92亿公里 ， 地球与探测器之间的数据通信单向时间延迟超过10.7分钟 ， 探测器必须完全依靠自身来完成发动机点火和关机 ， 克服发动机点火期间的扰动 ， 并实现点火方向和点火时长的精确控制 。
环绕器副总设计师朱庆华说 ， “在失去地面实时测控的环境下 ， 我们只有通过方案设计 ， 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 ， 全自动地执行精确轨道控制 ， 再通过多因素组合的测试和仿真分析 ， 让控制方案更加可靠 。 ”
【地球|距离地球1.92亿公里 揭秘“天问一号”这一脚高难度“刹车”】必须“一次成功”
“天问一号”在太空的这一脚“刹车”不仅需要“一次成功” ， 而且风险非常高；踩早了 ， 速度降得过低 ， 就会坠入大气层撞击火星；踩晚了 ， 就不能被火星引力捕获 ， 因而飞离火星 。
具体而言 ， 在这个过程中 ， 环绕器启动其配备的轨道控制发动机进行推力减速 ， 其速度降低至被火星引力捕获 ， 成为一颗环绕火星的卫星 ， 否则探测器将飞越火星继续围绕太阳公转 。
为何必须“一次到位”？打个比方 ， 地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速 ， 火星只是这条高速上的一个出口 ， 一旦探测器不能及时刹车 ， 从火星出口下高速 ， 那就只能多绕一圈(需要数年时间)到下次路过该出口了 。
因此 ， 在这关键的刹车段 ， 研制团队设计了相关刹车方案 ， 可以准确判断环绕器是否降至目标速度、实时判断发动机推力的大小和方向、自主更新刹车参数及相应的控制算法等 ， 确保可靠、精准完成这一脚高难度“刹车” 。 (完)


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