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我国首颗自主火星探测器——天问一号 ， 由中国航天科技集团有限公司研制 ， 将在人类史上第一次通过一次发射任务完成“绕、落、巡”火星探测 ， 用我们自己的探测器逐步揭开火星的神秘面纱 。
这场旅行不能“说走就走”
去火星旅行 ， 可不是说走就能走的 。 火星之旅动辄需要高达70km/s的逃逸速度 ， 而目前人类的运载火箭所能提供的最大逃逸速度仅为15km/s左右 。 为了尽量节省能量 ， 我们通常选择霍曼转移的方式来实现地火转移 ， 这需要等待地球与火星公转到特定的相对位置时发射火星探测器 。
地球的公转周期约365.26天 ， 火星的公转周期约687.99天 ， 因此地火的交会周期为约778天（即约26个月） ， 也就是说地球与火星每隔26个月才会出现一次可通过霍曼转移实现轨道交会的机会 ， 我们称之为“发射窗口”（每次窗口约持续20天） 。 一旦错过了本次窗口 ， 那就只能等下一个两年后了 。 比如欧俄联合的ExoMars火星探测器就因为降落伞的问题一直不能解决 ， 只能遗憾地错过2020年7月下旬的窗口 ， 计划推迟到2022年9月 。 2020年计划中的火星探测任务除了我国以外 ， 还有美国的毅力号火星车（Perseverance ， 又称Mars 2020）、阿联酋的希望号火星环绕器 。 根据2020年的发射窗口 ， 中国航天科技集团八院研制团队完成了地火至火星的转移轨迹设计 ， 为咱们的探测器量身定做一条通往火星的星际高速公路 。
地火转移轨迹绘制“猪排”图
说到地火转移轨迹设计 ， 就不能不说到“Pork-Chop”了 ， 即“猪排” 。 当然 ， 这肯定不是因为轨道设计师们的饮食口味 ， 而是设计师们在进行行星际探测轨道设计时 ， 会针对不同发射日期与到达日期 ， 绘制所需要发射能量的等高线图 ， 这张等高线图酷似两块猪排 ， “Pork-Chop”由此在业内叫开 。
为了尽可能让火星探测器多带点仪器设备 ， 对火星一次看个够 ， 轨道设计师们需要找到一条最省能量的地火转移轨迹 。 为此 ， 设计师们首先要将复杂的地火转移轨道设计简化为一个“地球+火星”的二体引力模型 ， 通过求解二体模型中经典的兰伯特问题 ， 得到窗口中每一对发射与到达日期所需要的能量 ， 从而绘制出发射能量等高线“猪排” 。
在“猪排”图上选定的日期作为初值 ， 可以采用微分修正等数学方法 ， 在一定精度的火星探测轨道动力学模型中经过迭代计算 ， 便可以得到用于飞行任务使用的地-火转移轨道设计结果了 。 饱餐美味的炸猪排后 ， 设计师就准备带着咱们的火星探测器沿着这条地火高速公路出发喽 。
“太空刹车”必须一次成功
升空后 ， 我国的火星探测器将以近10万千米/小时（约30Km/s）的速度沿着地火高速公路向前飞行 。 即便以如此高的速度 ， 探测器也需要经过约7个月的长途奔波才能到达火星 ， 这时探测器需要完成关键的捕获制动控制 。
火星环绕器将启动其配备的发动机进行推力减速 ， 将速度降低至能够被火星引力捕获 ， 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 。 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 。 2010年12月日本的拂晓号金星探测器就由于发动机故障而未能及时完成金星捕获制动 ， 直接飞越金星 。 直到2015年12月 ， 它才再次回到金星附近 ， 此时它已经接近寿命末期 ， 还好此次捕获成功 ， 不然就“此情可待成追忆”了 。
在这关键的刹车段 ， 研制团队设计了相当靠谱的刹车方案 ， 不仅可以准确判断是否降至目标速度 ， 在发动机推力减速控制的过程中 ， 还可以全自主地对发动机推力的大小和方向进行实时判断 ， 并自主更新刹车参数及相应的控制算法 ， 确保可靠、精准完成刹车 。
器器分离犹如高难度跳水
终于来到梦寐以求的火星身边 。 在无形的火星引力之手牵引下 ， 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另一项关键动作——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 。
环绕器犹如一名优秀的跳水运动员 ， 正在完成一次空中高难度的翻腾和时间精准的入水 。 环绕器这一系列姿态机动 “翻腾”和器器分离“入水”动作必须一气呵成 。 “入水”太早难以保证着陆器进入精度 ， “入水”太晚则会造成环绕器撞击火星的风险 。 入水前的空中翻腾 ， 每一时刻环绕器的姿态旋转都伴随其自身速度的变化 ， 入水时的角度和时刻更是要做到丝毫不差 ， 而这组超级动作还需要在没有地面实时测控支持的情况下由环绕器自主完成 。
“精准”与“可靠”如何选择？哈哈 ， 老道的设计师们是不会做单选题的 ， 而是“我都要” 。 设计师们仔细考量分离过程的潜在风险 ， 设计了从姿态测量、速度计算、推力输出等各因素出现故障情况下的自主处置预案 ， 使得环绕器在部分推力器或敏感器失效等情况下 ， 既能保证环绕器与着陆器实现准确分离 ， 又能保证分离后环绕器安全返回环火轨道 。
【火星|绘制猪排图，踩下太空刹车 我国首次自主火星之旅看点多】通讯员 刘宇 新民晚报采访人员 叶薇
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