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天问一号|时刻知道丨天问一号这脚“太空刹车”有多难？

火星月球轨道天问一号

2月10日19时52分 ， 在历经近7个月的太空飞行后 ， 我国首个火星探测器天问一号飞抵火星 ， 并成功实施捕获制动 。
天问一号|时刻知道丨天问一号这脚“太空刹车”有多难？
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天问一号进入环火轨道效果图 。 图片来源：航天科技集团八院
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 。
那么 ， 天问一号“太空刹车”有多难？
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 。
而火星制动捕获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 ， 这就好比要踩一脚“太空刹车” 。
中国航天科工集团二院研究员杨宇光介绍 ， 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 。
所以 ， 这一脚“太空刹车”极为关键 ， 直接关系到火星探测任务成功与否 。 如果这一脚“太空刹车”踩早了 ， 速度降得过低 ， 探测器就会坠入火星大气层 ， 在大气层解体或撞击火星表面；如果踩晚了 ， 探测器器则不能被火星引力捕获 ， 从而飞离火星 ， 围绕着太阳公转 。
天问一号|时刻知道丨天问一号这脚“太空刹车”有多难？
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天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像 。
【天问一号|时刻知道丨天问一号这脚“太空刹车”有多难？】与“嫦娥”近月制动有所不同
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 。
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 。
“踩刹车”失败的那些火星探测器
从1960年至今 ， 人类实施了50余次火星探测任务 ， 但接近三分之二任务以失败告终 ， 其中一个关键的原因是探测器未成功完成火星制动程序 。
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 。


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