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专家介绍 ， 火星捕获制动是指探测器在抵近火星时 ， 通过主发动机长时间点火 ， 使得在行星际空间高速飞行的探测器大速度增量减速 ， 从而能够被火星引力场捕获 ， 进入绕火轨道 。 作为火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一 ， 制动捕获的机会是唯一的 ， 关系着整个工程任务的成败 。 捕获过程中 ， 火星环绕器需要准确地进行点火制动 ， 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 。
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”探测器环绕器部分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”已累计飞行202天 ， 完成1次深空机动和4次中途修正 ， 抵达火星时探测器飞行里程约4.75亿千米 ， 距离地球约1.92亿千米 ， 探测器和地球通信单向时延约10.7分钟 ， 各系统状态良好 。 后续 ， “天问一号”探测器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月间择机实施火星着陆 ， 开展巡视探测 。
中国“天问一号”探测任务意义非凡
——访欧航局专家伯奎斯特
■新华社采访人员 陈晨
“中国‘天问一号’探测器执行首次火星探测任务让人印象深刻 ， 航天科学家都在等待并渴望了解它将来传回地球的数据和信息 。 从行星探测工程和科学角度来看 ， 这项任务意义非凡” ， 欧洲航天局国际关系部门负责人卡尔·伯奎斯特接受新华社采访人员专访时如是说 。
伯奎斯特说 ， 在中国本次火星探测任务中 ， 欧洲航天局与中方开展了轨道跟踪、数据中继等方面的合作 ， “这种合作至关重要 ， 太阳系很复杂 ， 进一步探索太阳系需要共同努力” 。
据伯奎斯特介绍 ， 欧洲航天局位于德国的欧洲空间运转中心正为“天问一号”提供遥测、遥控、跟踪等服务 。 “天问一号”探测器从该航天局位于南美洲法属圭亚那库鲁航天中心的地面站获取过数据 ， 正环绕火星运行的欧洲“火星快车”探测器将为“天问一号”提供数据中继方面的支持 。
除中国“天问一号”探测器以外 ， 阿联酋“希望”号探测器进入环火星轨道、美国“毅力”号火星车登上火星的时间都在本月 。 伯奎斯特表示 ， 这3项火星探测任务各不相同 ， 但它们都将为科学界提供有用和有趣的考察数据 ， “这也是人类进一步探索太空的重要性所在——对我们周围的行星增进了解 ， 从而更好地理解、保护我们的地球” 。
（据新华社电）
中国深空探测计划应得到最高评价
——访俄航天史专家热列兹尼亚科夫
■新华社采访人员 李奥
在中国“天问一号”探测器成功进入环火星轨道之际 ， 俄罗斯知名航天历史学家亚历山大·热列兹尼亚科夫在接受采访人员专访时说 ， “天问一号”的考察成果将为太空科研作出重要贡献；开展大型太空项目国际合作收益更佳；俄中携手考察地外行星的合作将持续 。
“当前中国的深空探测计划应得到最高评价 。 该探测计划具有循序渐进、平衡发展、雄心勃勃等特点” ， 热列兹尼亚科夫说 ， “近年来 ， 中国在太空探索方面已迈出的步伐 。 ‘天问一号’探测器正在履行中国首次探索地外行星的使命 ， 我和同事们期盼此次火星考察取得成功 ， 其考察成果无疑将为太空科研作出重要贡献 。 ”
热列兹尼亚科夫说 ， 俄罗斯联邦国家航天集团公司、欧洲航天局正准备于2022年合作发射火星车 ， 共同落实“火星太空生物”考察项目 。 如果进一步开展深空探测和载人航天的“相关条件日臻完善 ， 航天员有望于本世纪中叶登上火星” 。
热列兹尼亚科夫回顾说 ， 在太空领域 ， 俄罗斯与中国合作历史悠久 ， 其中包括俄中火星探测合作 。 “中国首颗火星探测器‘萤火一号’与俄‘福布斯-土壤’探测器曾在2011年一同启程 ， 遗憾的是此番考察计划未能如愿实施 。 即便如此 ， 这次合作为俄中携手考察地外行星奠定基础 ， 这种双边合作会持续下去” 。（据新华社电）
二月探火为何“三星照”
据新华社电（采访人员 栾海）从2月9日至18日 ， 阿联酋“希望”号探测器、中国“天问一号”探测器、美国“毅力”号火星车会陆续飞抵火星 。 为何它们都在此时探测火星？专家解释说 ， 这与航天器飞赴火星的窗口期和3国探测火星的规划不谋而合有关 。
俄罗斯知名航天历史学家亚历山大·热列兹尼亚科夫对采访人员说：“火星与地球的相对位置 ， 使发射火星探测器的时机选择非常重要 ， 当二者距离较近时派遣探测器远赴火星 ， 可减少探测器能耗 ， 缩短其抵达火星的时间 。 此前最近的火星探测器发射窗口期是2020年7月 ， 因此阿联酋、中国、美国的探测器先后于当月出发 ， 抵达火星的时间也相近 。 ”
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩对采访人员说 ， 此次派遣航天器飞赴火星的3个国家 ， 其空间探测规划各异 ， 启动本次任务的时间却不谋而合 。 发射航天器探测火星的窗口期每隔26个月有一次 ， 美国差不多每隔26个月便有与火星研究相关的航天发射 ， 派遣“毅力”号火星车飞赴火星是既定任务 ， 其启程时间就在最近的一个发射窗口期 ， 即2020年7月底 。
庞之浩表示 ， 中国空间探测实现了跨越式发展 ， 将在首次考察火星过程中即完成“绕、落、巡”三步 ， 这在人类火星探测史上是前所未有的 。 中国空间探测技术在不断积累中日臻完善 ， 如今探测火星的各项条件已经成熟 。
天问一号经历了怎样的奔火之旅？
■新华社采访人员 胡喆
2月10日晚间 ， 农历腊月廿九 ， 我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功实施近火制动 ， 开启环绕火星之旅 。 此举也被视为此次火星探测任务的关键一步 ， 意味着“天问一号”探测器已经成功被火星引力捕获 。 那么 ， 什么是火星捕获？“天问一号”经历了怎样的奔火之旅？来看采访人员为您梳理的“天问一号”探火指南 。
出个远门：
“天问一号”已经离家200多天
飞行里程4.75亿千米、飞行时间长达202天……“天问一号”过五关斩六将 ， 经过地火转移的漫漫旅途后 ， 终于来到火星附近 。
从地球到火星的转移 ， 是漫长的旅行 。 火箭发射是整个飞行过程的开始 ， 在发射37分钟后 ， 探测器与火箭于距离地面670千米的太空中进行分离 ， 探测器至此进入地火转移轨道 ， 在地火转移轨道上经历了200多天的飞行 ， 在地面测控系统的支持下 ， 经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径 ， 环绕器逐渐飞近火星 ， 进入火星捕获段 。
火星捕获是火星探测任务中技术风险最高的环节之一 ， 由于火星捕获窗口的唯一性 ， 捕获的成败决定了火星探测任务的成败 ， 这一点火制动过程通常被称为“踩刹车” 。 刹车踩早了 ， 探测器速度降得过低 ， 探测器会坠入大气层撞击火星；刹车踩晚了 ， 探测器就不能被火星引力捕获 ， 从而飞离火星 。
来自中国航天科技集团八院的专家告诉采访人员 ， 为了精确把控发动机的开关时机 ， 环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨 ， 再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息 ， 得到环绕器和火星的精确位置 。 制动过程中 ， 依靠可靠的捕获策略 ， 确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火轨道 。
此外 ， 制动过程还需要火星环绕器具备自主应对器上突发故障能力 ， 确保火星捕获过程开展顺利可靠 。
火星捕获：
机会只有一次 时间仅30分钟
捕获段是火星探测器进入火星的引力范围到最终被火星捕获的阶段 ， 是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一 ， 关系任务的成败 。 地外天体捕获制动是实现月球、火星等深空天体探测任务的关键 ， 而捕获制动控制技术又是决定捕获制动是否成功的关键 。
专家介绍 ， 当航天器进入目标天体影响球内 ， 相对目标天体的轨道通常为双曲线轨道 ， 因此必须进行减速机动 ， 否则将沿着双曲线轨道飞离目标天体 ， 这一减速机动过程称为捕获制动 。
此次火星探测任务捕获期间 ， 探测器距离火星仅400千米 ， 相对火星的速度却高达4至5千米每秒 。 捕获过程中 ， 火星环绕器需准确进行点火制动 ， 如果制动点火时间过长 ， 探测器速度下降过多 ， 探测器就会一头撞上火星；如果制动点火时间过短 ， 探测器速度过快 ， 就会沿抛物线轨迹飞离火星 。
“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、花费数年到下次路过该出口了 。 ”中国航天科技集团八院“天问一号”探测器副总指挥张玉花说 。
由于火星探测器从地球飞向火星的过程中能够被火星引力所捕获的机会只有一次 ， 且时间仅30分钟左右 ， 不能中断；捕获时探测器距离地球1.92亿千米 ， 无线电通信双向延时达20多分钟 ， 地面无法对这一制动过程进行实时监控 ， 只能依靠探测器自主执行捕获策略 。
刹车制动：
稳、准、狠
“在太阳系里 ， 八大行星以太阳为核心公转 ， 形成了八个环形轨道 ， 其中地球位于‘三环’ ， 火星则在‘四环’ 。 ”中国航天科技集团六院11所副总设计师兰晓辉介绍：“3000牛轨控发动机承担着三项任务 ， 一是‘三环’转移到‘四环’过程中的姿态修正 ， 二是‘四环’上的‘刹车制动’ ， 三是火星附近的轨道调整 。 就像一位尽职尽责的快递小哥 。 ”
近似于真空的太空环境暗流涌动 ， 隐藏着多种看不见的干扰因素 ， 如星球引力摄动、太阳风、空间辐射等 。 为了防止“天问一号”不打招呼地“跑偏” ， 设计人员综合考虑了各种因素 ， 进行了大量计算 ， 设计出了一条精密的轨道 ， 在发射前上传至发动机 ， 给它了一份“离线地图” 。
火星的质量只有地球的十分之一 ， 引力远小于地球 ， 探测器在近火轨道必须及时“刹车” ， 否则会掠过火星 ， 这就要考验“快递小哥”刹车是否踩得稳、准、狠 。 在此次近火制动任务中 ， 3000牛轨控发动机快速点火启动 ， 并在额定点长时间连续稳定工作 。
“从2010年立项到2016年定型 ， 发动机经历了多项考核 ， 充分验证了各项关键技术 。 对于3000牛发动机 ， 我们充满信心 。 ”兰晓辉说 。
火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星 ， 一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标 。 国家航天局有关负责人表示 ， 接下来“天问一号”将按计划进行火星环绕、着陆和巡视 ， 对火星开展全球性、综合性的环绕探测 ， 在火星表面开展区域巡视探测 。
【新华社|火星你好 天问一号来啦】（新华社北京2月10日电）
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