2021年2月10日19时52分 ， 中国航天再次迎来一个历史性时刻 。 在经过长达七个月 ， 累计202天 ， 4.75亿公里的漫长飞行之后 ， 中国首颗火星探测器“天问一号” 精准实施近火捕获制动 ， 成功进入近火点高度约400千米 ， 周期约10个地球日 ， 倾角约10o的大椭圆环火轨道 ， 中国的航天探测器首次到达火星！
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图片来源：央视新闻
天问一号探测器顺利进入环火轨道据央视新闻 ， 采访人员从国家航天局获悉 ， 2021年2月10日19时52分 ， 中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动 ， 环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟 ， 探测器顺利进入近火点高度约400千米 ， 周期约10个地球日 ， 倾角约10o的大椭圆环火轨道 ， 成为我国第一颗人造火星卫星 ， 实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标 ， 环绕火星获得成功 。
首次火星探测任务由地火转移阶段进入火星捕获阶段后 ， 天问一号环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷将陆续开始工作 ， 对火星开展多维度探测 。
自2020年7月23日成功发射以来 ， 天问一号探测器已累计飞行202天 ， 完成1次深空机动和4次中途修正 ， 抵达火星时飞行里程约4.75亿千米 ， 距离地球约1.92亿千米 ， 器地通信单向时延约10.7分钟 ， 各系统状态良好 。 后续天问一号还将经过多次轨道调整 ， 进入火星停泊轨道 ， 开展预选着陆区探测 ， 计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆 ， 开展巡视探测 。
火星制动捕获 ， 顾名思义就是高速“行驶”的火星探测器在靠近火星时 ， 通过主发动机长时间点火“踩一脚刹车” ， 使得探测器以大速度增量减速 ， 从而能够被火星的引力场所捕获 ， 使得探测器能够顺利进入绕火轨道 。
难度极大 ， 一把定输赢据环球时报 ， 火星制动捕获堪称是火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 。 因为制动捕获的机会是唯一的 ， 维系着整个探火任务的成败 。
探测器在捕获过程中 ， 火星环绕器需要精确地进行点火制动 ， 只有点火时机和时长都分秒不差 ， 才能形成理想的目标捕获轨道 。 如果探测器“刹车”太晚或是“刹车”时长不够 ， 就会飞越火星继续围绕太阳公转 ， 耗费数年时间等待下一个“制动窗口” 。 而探测器如果“刹车”太早或是“太急” ， 就有可能直接“撞上”火星 。
据公开资料显示 ， 此前前苏联、美国、日本的火星探测任务都曾在“火星捕获段”遭遇失败 。 1974年 ， 前苏联的火星4号探测器在距离火星表面2200公里处由于制动发动机失效而没有切入火星轨道 ， 最终飞越火星 。 1999年 ， 美国的火星气候轨道器星在实施火星制动捕获时 ， 因轨道高度比设计值偏低 ， 最终导致探测器进入火星大气层而被烧毁 。 而在2020年 ， 日本的“希望号”火星探测器因为探测器上的通信和电子系统损坏 ， 从而无法顺利实施制动捕获未能进入环火轨道 。
此外 ， 2010年12月 ， 日本的“拂晓号”金星探测器也是倒在了“制动环节” ， “拂晓号”金星探测器的发动机由于故障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捕获成功 ， 然而此时它已经接近寿命末期 。
据了解 ， 于今晚成功实施火星制动捕获的中国的“天问一号” 探测器 ， 目标轨道距离火星最近处仅400km ， 在实施火星制动捕获的时候稍有不慎就会撞击火星或飞离火星 。 “天问一号”在靠近火星时的速度已高达28km/s ， 想要被火星引力场所捕获 ， 就要求探测器配置的1台3000N的轨道控制发动机 ， 在“捕获窗口”对应的 ， 有限的轨道弧段 ， 在10分钟内将速度降低约1km/s 。
而与一般环绕地球的卫星由地面实时操控入轨的方式不同的是 ， “天问一号”在火星制动捕获过程中 ， 探测器距离地球达1.92亿公里 ， 地球与“天问一号”之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟 ， 因此 ， 在“分秒必争”的制动过程中 ， “天问一号”必须完全依靠自身完成发动机的点火和关机 ， 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 。
为了确保了“天问一号”能够完美实施火星制动捕获 ， 负责研制“天问一号”的中国航天科技集团科研团队专门为“天问一号”设计了器务自主管理器双大脑、姿轨控计算机三核心、测控通信多通道切换策略、发动机双关机策略以及3000N和120N发动机两重保险等多项技术 ， 极大地提升了系统的可靠性 。
未来步步惊心 ， 每一步都将创造历史据环球时报 ， 成功实施火星制动捕获 ， 标志着中国首次火星探测任务“绕、落、巡”三大目标中的环绕目标顺利达成 ， 为后续探测器的着和巡视任务的顺利实施奠定了基础 。
随后 ， ”天问一号“探测器在几个月内还将进行多次轨道调整 ， 进入火星停泊轨道 ， 开展预选着陆区探测 ， 计划于2021年5月实施火星探测之旅中的另一项关键动作——环绕器和着陆巡视器“两器分离” ， 最终将实现火星着陆 ， 开展巡视探测 。
据了解 ， 接下来的“两器分离”环节需要探测器在约3个小时内首先变轨到存在撞击火星风险的轨道上 ， 建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态 ， 且姿态误差必须小于0.01度 。 而到了预定分离的时刻 ， 环绕器与着陆器必须迅速完成分离 ， 在经过安全距离飘飞过程后 ， 环绕器需要立马完成推力加速 ， 以回到安全的环绕火星轨道上 。 这一过程中 ， 无论是“降轨”还是“升轨”都需要对时间有精准的把控 ， 太早难以保证着陆器进入精度 ， 太晚则会造成环绕器撞击火星的风险 。 整个“器器分离”环节颇具看点 ， 值得期待 。
【天问|历史性瞬间！“天问一号”探测器成功进入火星轨道，成为我国第一颗人造火星卫星】来源：每日经济新闻综合央视新闻、环球时报
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