三国探“火”进冲刺阶段：天问一号如何去火星
三国探“火”终于进入冲刺阶段。继阿拉伯联合酋长国首个火星探测器“希望号”2月9日成功进入火星轨道后，中国的“天问一号”探测器也开启环绕火星之旅。2月10日，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。在天问一号进入火星轨道不久之后，也就是2月18日，美国国家航空航天局的“毅力号”探测器也将抵达并着陆火星。这一脚刹车既不能用力过猛，也不能踩得太轻探测器到达火星引力范围内后，需要近火制动，也就是临近火星后“刹车”减速，避免探测器飞出或撞上火星。当被火星捕获，探测器成为一颗火星卫星。不久前，嫦娥五号探测器也通过“踩刹车”进入环月轨道，完成了近月制动。与探月相比，天问一号探测器的近火制动要困难得多。由于地球和火星距离太远，通信时延超过10分钟，因此地面不能做任何实时控制和干预。 航天技术专家黄志澄对澎湃新闻表示，这就要求轨道器必须有很强的自主能力，同时地面上也要求有很强的深空探测发射信号和遥测数据的通讯设备。中国航天科技集团五院、天问一号探测器副总指挥李振才表示，以往会听到飞控团队下达“发动机开机”指令，而这一次探测器将自己判断并自动执行开机，地面团队只能在近一个小时后根据遥测数据得知最终的“刹车”完成情况。进入火星轨道的最大难点是近火制动，这一脚“刹车”既不能用力过猛，也不能踩得太轻。踩得太重，会对后面的飞行时序产生巨大影响。踩得太轻，就会飞离火星。而且制动捕获只有一次机会，下一次合适的窗口期是在2033年。机不可失，制动的时机、时长、力度等都必须十分精准。黄志澄表示，所以需要有非常精确的轨道计算和发动机推力的精确计算。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。还要再踩几脚刹车，减速完成泊车天问一号火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成。为保证着陆巡视器顺利完成火星着陆，天问一号需要进行多轨调整，通过精准操作来不断变动轨道和速度，通过更加复杂的轨道控制保证“泊车”。首次火星探测任务在完成火星捕获后，天问一号进入到环火轨道中，在远火点进行一次平面机动，调整飞行的轨道倾角，为后续“泊车”工作审时度势、奠定基础。当回到近火点时，它就要慢踩刹车，准备更换线路，迈入到停泊调相轨道，对轨道周期进行相应调整，以保证轨迹经过预定的着陆点。当天问一号在停泊调相轨道上再次到达近火点时，需要进行第三次刹车，进入停泊轨道，并在该轨道上进行多次维持，对着陆区进行拍摄成像，选择合适的位置，完成“泊车”的最后一步，即实现环绕器与着陆巡视器的分离，着陆巡视器进入到火星大气，完成这一阶段的全部任务。天问一号的首选着陆点位于火星乌托邦平原南端，计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆，开展巡视探测。黄志澄对澎湃新闻表示，“最重要的是最后进入火星大气层并减速，这就是所谓的 ‘恐怖的7分钟’，要在7分钟之内将很高的速度降低到1/10。”“火星上大气并不是地球上的空气，它的密度很低，所以要在7分钟之内把很高速度的火星探测器降到火星表面安全着陆，这是世界难题。”黄志澄说道。最近的一个例子，就是2016年欧空局和俄罗斯航天局联合研制的ExoMars轨道器。虽然成功进入火星轨道，但斯基亚帕雷利号着陆器却登陆失败。“这已经集中了欧洲和俄罗斯的力量，目前除了美国，其他国家都没有成功。后来经过一年调查是软件设计中存在问题。”“绕、着、巡”若一气呵成，天问将创人类新纪录人类进击火星的尝试由苏联在1960年开启。从1960年苏联首次尝试向火星派遣探测器算起，到2020年火星发射窗口之前，人类已经发起过45次火星任务，其中有17次带着火星着陆目标，但仅有8次成功，全部由美国完成。1964年发射的美国 “水手四号”成功“飞掠”火星并拍下照片；1971年发射的美国“水手九号”率先进入火星轨道环绕并拍下海量照片；1975年发射的美国“海盗一号”成功软着陆火星；1996年发射的美国“探路者号”在火星上移动了约100米。可以说，美国用32年完成了“掠、绕、落、巡”。我国首次火星探测任务提出一次实现“绕、着、巡”三步走。鉴于本轮三国探“火”中，阿联酋的希望号不需要着陆火星，而美国有多次登陆火星的成熟经验并完成了火星车的巡视，中国有望成为第二个在火星上“开车”的国家。“假如天问一号能顺利着陆火星并开展巡视，这将是非常伟大的。”黄志澄表示，如果我们能把这三步一气呵成，这就是最大亮点，“创造了世界航天史上新的纪录，也代表我们国家航天技术进入新的水平。”“我们这次火星探测任务最核心、最难的地方，就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程，只有一次机会。”中国航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲表示，研制团队做了充分的准备，专门设计了全新气动外形、新型降落伞等，希望一切顺利。
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