2月10日，天問一號火星探測器順利實施近火制動，完成火星捕獲，正式踏入環(huán)火軌道。目前，探測器各系統(tǒng)狀態(tài)良好，近火制動后入軌精度很高，為后續(xù)環(huán)火飛行的順利開展贏得了“開門紅”。

制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。

截至目前，天問一號已經(jīng)在軌飛行200余天，飛行里程已經(jīng)突破了4.7億公里。如何在距離地球如此之遠的茫茫太空打好“漂移”、踩好“剎車”？這其中，大有學問。

太空“剎車”，只有一次機會

在2月5日第四次中途修正后，天問一號保持著平穩(wěn)的飛行軌跡抵達火星附近。從地火轉(zhuǎn)移軌道進入到環(huán)火軌道，需要通過近火制動來實現(xiàn)火星捕獲，完成日心軌道和火心軌道的順利銜接。

對于天問一號來說，近火制動只有一次機會。它必須精準地踩下“剎車”，一步到位邁入預(yù)定環(huán)火軌道。

“對于軌道設(shè)計來說，近火制動這腳‘剎車’力道大小是極為考究的，踩得太輕，就會飛離火星，踩得太重，則會對后面的飛行時序產(chǎn)生巨大影響?！碧靻栆惶柣鹦翘綔y器抓總研制單位航天科技集團五院軌道主管設(shè)計師高珊用生動的比喻來描述近火制動。

另一個巨大挑戰(zhàn)是通信延時。由于探測器距離地球太過遙遠，即將踏入環(huán)火軌道的天問一號與地球的通信延遲超過了10分鐘，這意味著無法對火星捕獲情況進行實時監(jiān)控，快速應(yīng)對。

面對這樣一段“視覺盲區(qū)”，軌道設(shè)計團隊協(xié)同控制系統(tǒng)進行了近千種故障工況的分析，確定了關(guān)鍵參數(shù)及閾值，編寫了近兩百份故障預(yù)案，保證火星探測器在地面無法實時控制的情況下，對可能發(fā)生的情況進行恰當?shù)呐袛嗪头磻?yīng)。

完成艱巨任務(wù)，只能“靠自己”

火星引力捕獲窗口有限，要求探測器完全靠自己，在10分鐘內(nèi)將速度從28km/s降低至約1km/s。

這并不是一件容易的事。據(jù)了解，天問一號配置了1臺3000N的軌道控制發(fā)動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。

“在失去地面實時測控的環(huán)境下，我們惟有通過方案設(shè)計，充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質(zhì)心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加健壯可靠?！焙教炜萍技瘓F八院火星探測器環(huán)繞器副總設(shè)計師朱慶華說道。

團隊對國外的失敗和成功案例進行了深入剖析?！拔覀儗鹦翘綔y全過程反復(fù)推演，可以說已經(jīng)將我們能想到的所有可能情況都考慮了進去，并通過各種可能事件的組合來測試我們的方案和產(chǎn)品?！卑嗽篏NC系統(tǒng)（編者注: 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)）主任設(shè)計師聶欽博說道。

據(jù)了解，在一次半物理仿真試驗中，探測器的捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差，這使得研制團隊高度緊張。團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動前的一個環(huán)節(jié)時間過長，對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。于是團隊迅速對這一過程進行精確量化分析，通過方案優(yōu)化和進一步仿真驗證，捕獲制動精度有了顯著提升。

此外，承擔著指揮控制任務(wù)的GNC單元則采用了三模冗余方案。在團隊多輪設(shè)計、仿真及驗證工作下，三臺計算機可確保“步調(diào)一致”并實現(xiàn)“民主表決”，即運算時刻和初始數(shù)據(jù)始終保持一致，進而通過少數(shù)服從多數(shù)的原則，確保計算結(jié)果準確無誤。

為了確保我國首次自主火星探測任務(wù)最關(guān)鍵的這次“剎車”的可靠完成，環(huán)繞器團隊在四年的研制過程中，不斷進行著發(fā)動機推力方向和大小、發(fā)動機推力干擾力矩、太陽電池陣撓性振動、推進劑液體燃料晃動等各參數(shù)的正常范圍、極限拉偏測試，分析測試和試驗中GNC系統(tǒng)的表現(xiàn)，對異常現(xiàn)象迅速定位并對方案進行優(yōu)化完善。

環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)保師劉宇不無自豪地說道：“我們已運用自己的算法對一些知名的火星探測任務(wù)進行仿真，仿真結(jié)果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合?！?/p>

“火星泊車”，仍面臨嚴峻考驗

盡管已經(jīng)做了充分的準備，軌道設(shè)計團隊在近火捕獲階段仍然全神貫注地關(guān)注著變軌過程中每一個參數(shù)、每一條曲線的變化，進行著誤差評估。

這是中國的航天器第一次抵達火星附近，要一次實現(xiàn)“繞、著、巡”三個目標，軌道設(shè)計的難度很高，在完成火星捕獲后，天問一號將要面臨更多的考驗。

天問一號火星探測器由環(huán)繞器與著陸巡視器組成，為了保證著陸巡視器順利完成火星著陸，天問一號需要進行多軌調(diào)整，通過精準操作來不斷進行軌道和速度的變動，通過更加復(fù)雜的軌道控制來保證“泊車”。

在完成火星捕獲后，天問一號進入到環(huán)火軌道中，在遠火點進行一次平面機動，調(diào)整飛行的軌道傾角，為后續(xù)“泊車”工作審時度勢、奠定基礎(chǔ)。

當回到近火點時，它就要踩下第二次“剎車”，準備更換線路，邁入到停泊調(diào)相軌道，對軌道周期進行相應(yīng)調(diào)整，以保證軌跡經(jīng)過預(yù)定的著陸點。

當天問一號在停泊調(diào)相軌道上再次到達近火點時，需要進行第三次“剎車”，進入停泊軌道，并在該軌道上進行多次維持，對著陸區(qū)進行拍攝成像，選擇合適的位置，完成“泊車”的最后一步，即實現(xiàn)環(huán)繞器與著陸巡視器的分離，著陸巡視器進入到火星大氣，完成這一階段的全部任務(wù)