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火星|火星面前天问一号“刹车”有多难？制动时机和时长需分秒不差

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近火制动是火星探测过程中的重要节点之一 ， 有一定风险 。 其风险主要包括几方面 ， 比如制动捕获只有一次机会 ， 机不可失；制动的时机、时长、力度等都必须十分精准 。
杨宇光 中国航天科工集团二院研究员
2月5日 ， 国家航天局发布了天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像 。 图中火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见 。
【火星|火星面前天问一号“刹车”有多难？制动时机和时长需分秒不差】
火星|火星面前天问一号“刹车”有多难？制动时机和时长需分秒不差
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天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像 。
拍摄这张照片时 ， 天问一号与地球的距离达到1.8亿多千米 ， 离火星大约有220万千米 。
据国家航天局消息 ， 天问一号于当日晚间启动发动机 ， 顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正 ， 以确保后续动作准确实施 。 此后它还要完成近火制动 ， 被火星捕获 ， 进入环火轨道 ， 成为火星的一颗卫星 ， 并对火星进行观测 ， 为着陆火星做准备 。
中国航天科工集团二院研究员杨宇光向科技日报采访人员介绍说 ， 近火制动是火星探测过程中的重要节点之一 ， 有一定风险 。 其风险主要包括几方面 ， 比如制动捕获只有一次机会 ， 机不可失；制动的时机、时长、力度等都必须十分精准 。 此外 ， 探测器抵达火星时与地球距离远 ， 通信延时长 ， 地面无法实时监视和控制 ， 整个制动过程必须由探测器自主完成 ， 这对探测器的自主控制提出了很高要求 。
制动时机和时长需分秒不差
按照轨道动力学规律 ， 当航天器接近一个天体时 ， 如果不采取任何措施 ， 它将与这个天体擦肩而过 ， 整个过程形成一个双曲线轨道 。
杨宇光说 ， 在接近过程中 ， 航天器受天体引力影响 ， 速度会越来越快 ， 在距离最近时达到峰值 。 如果此时航天器不制动 ， 它会逐渐远离该天体 ， 速度慢慢下降 ， 最后摆脱引力飞离天体 。
这一规律决定着 ， 如果想从转移轨道进入环绕天体运行的轨道 ， 航天器就必须实施制动减速 。
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍 ， 探测器实施制动减速时 ， 要先调整飞行姿态 ， 将发动机喷管朝向前方 ， 等时机恰当时点火开机 ， 以此降低探测器的速度 。 整个制动过程的控制必须十分精准 。
杨宇光介绍 ， 各国探测器飞往火星基本都采用霍曼转移轨道 ， 天问一号也是如此 。 对于以太阳为中心的引力场来说 ， 这就是一条连接地球与火星的椭圆形轨道 。 当探测器抵达火星附近后 ， 如果没有制动或制动力不够 ， 它会脱离火星引力继续环绕太阳运行 ， 下次再跟火星交会就不知是何年何月了 。 这也就是前文所说制动捕获机会的唯一性 。
反之 ， 如果力道过猛也不行 。
杨宇光说 ， 探测器制动捕获有一个原则 ， 轨道越低 ， 发动机越省能量 ， 制动效率也就越高 。 但对于距离上亿公里的火星 ， 探测器的位置测量和控制都可能出现误差 ， 如果制动点的轨道高度过低 ， 可能导致探测器撞向火星表面 。
同时 ， 探测器并不是在某一个点把速度降到多少 ， 而是在一个飞行弧段内持续减速 ， 制动点火的时间需要精密计算和精准控制 。 如果制动时间过长导致制动力度过大 ， 探测器也会面临坠毁的风险 。
“只有刹车时机和时长都分秒不差 ， 才能形成理想的捕获轨道 。 ”庞之浩说 。
与“嫦娥”制动有所不同
此前我国已成功实施的历次探月任务中 ， 嫦娥系列探测器均圆满完成了近月制动 ， 积累了丰富经验 。 不过天问一号面临的近火制动 ， 与“嫦娥姐妹”有所不同 。
最显著的区别源自距离 。
地球与月球之间的平均距离约为38.44万千米 ， 对于测控通信来说 ， 延时不过约1秒钟 。 而天问一号实施近火制动时 ， 地球与火星的距离超过1.8亿千米 ， 单向通信延时达到10分钟以上 。 杨宇光说 ， 这种情况下地面无法对探测器进行实时监控 ， 需要提前上传指令 ， 到时候让探测器自主执行 。
理论上 ， 探测器的自主性可以通过设计来实现 。 例如制动时需要把速度降低多少 ， 可以根据发动机推力计算需要开机的时间 ， 照此控制 。 但实际上并非如此 。
杨宇光说 ， 任务过程中会有很多不确定性 ， 比如发动机推力可能存在细微偏差 ， 飞行器的位置、速度、姿态只能通过测量获得 ， 各种变数使得自主控制的复杂程度大大增加 。
因此 ， 自主控制绝非只靠地面准备指令 ， 探测器执行就能完成 ， 而要大量依赖于测量手段 。 为了确保测量准确 ， 在执行关键动作的飞行器上都有多个传感器 ， 通过多种途径和不同手段 ， 结合地面测量数据 ， 判断测量结果是否精确 。 在执行指令时 ， 也会通过传感器来反馈执行情况 。 当遇到意外情况 ， 来不及等待地面处理时 ， 探测器也会自行判断 ， 然后按照预案自行应对 。
此外 ， 天问一号重达5吨多 ， 不仅超过“嫦娥”系列探测器 ， 甚至在世界各国行星探测器中也居首位 。 而它配备的 ， 则是一台3000牛的发动机 ， 会不会有点“小马拉大车”？要知道 ， 3.78吨重的嫦娥四号 ， 主发动机推力可是达到了7500牛 。
对此杨宇光表示 ， 嫦娥四号的发动机要兼顾近月制动和月面着陆使用 ， 因而需要较大推力 。 对于天问一号来说 ， 3000牛发动机确实偏小 ， 但这是权衡各方利弊之后的选择 。
杨宇光说 ， 衡量发动机性能最重要的指标是比冲 ， 比冲越高 ， 相同条件下推进剂能产生的速度增量越大 。 但从另一方面说 ， 比冲越高 ， 发动机的质量越大 ， 或者说 ， 在同样比冲情况下 ， 发动机推力越大 ， 体积和质量就越大 。
但对于天问一号而言 ， 则希望发动机尽量小 ， 能把更多重量和空间留给载荷 。
在两个互相矛盾的指标之间 ， 设计人员做出了权衡 。 目前的方案既能满足载荷的需要 ， 也能满足制动的要求 ， 无非是把制动点火时间延长一点而已 。
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制动失败的那些探测器
由于近火制动有一定风险 ， 因此过去一些火星探测器在进入火星轨道时 ， 曾出现过各种故障 。
苏联1973年7月21日发射的火星4号探测器 ， 于1974年2月在距离火星表面2200千米处飞越 ， 由于制动发动机失效而没有切入火星轨道 。
1992年9月25日 ， 美国火星观察者探测器升空 。 它在太空飞行了约11个月 ， 在1993年8月21日 ， 也就是计划进入火星轨道前3天发生了故障 ， 与地面失去了联系 。 据判断 ， 探测器失联的原因可能是推进系统的燃料运输管道破裂 。
日本于1998年7月3日发射的希望号火星轨道器 ， 自发射升空以后故障不断 。 按计划 ， 希望号应于2003年12月14日到达离火星表面894千米位置 ， 然后进入环火轨道 ， 但由于其电路系统受太阳风暴影响出现故障 ， 变轨发动机无法启动而导致任务失败 。
最冤的一次失败来自美国的火星气候轨道器 。 1999年9月23日 ， 该探测器本应在80—90千米高度进入火星大气层 ， 但在轨道切入操作中 ， 地面人员犯下了致命的低级错误 。 在探测器飞行系统软件中 ， 使用的是英制单位“磅”计算推进器动力 ， 而地面人员输入方向校正量和推进器参数时 ， 用的却是公制单位“牛顿” 。 两种单位的混淆造成了导航误差 ， 使探测器直到距离火星仅57千米时才减速切入 ， 最终导致探测器解体 。
（原题为《火星面前 ， 天问一号“刹车”有多难》）
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