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探测器|成功“刹车”探测器被火星引力捕获，回顾“天问一号”离家的203天

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探测器|成功“刹车”探测器被火星引力捕获，回顾“天问一号”离家的203天
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图片来源 中国探月工程微信公众号
2月10日19时52分 ， 我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10°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”目标的第一步 ， 环绕火星成功 。
国家航天局表示 ， 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 。
国家航天局介绍 ， 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 。
探测器|成功“刹车”探测器被火星引力捕获，回顾“天问一号”离家的203天
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航天科研人员庆祝
探测器|成功“刹车”探测器被火星引力捕获，回顾“天问一号”离家的203天
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技术顾问叶培建院士（左）和同事讨论
火星捕获
机会只有一次 时间仅30分钟
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 。
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 。
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 。
刹车制动
3000N轨控发动机 快速点火稳、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：“3000N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 ， 3000N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3000N发动机 ， 我们充满信心 。 ”兰晓辉说 。
脑补
二月探火为何“三星照”
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 ， 作为紧邻地球的行星 ， 火星一直吸引着人类 。 除了用天文望远镜观测外 ， 探测器是研究火星的主要工具 。 “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 。
“天问一号”离家203天
出发
2020年7月23日,“天问一号”火星探测器搭乘长征五号遥四运载火箭从海南岛文昌航天发射场升空 ， 开启中国首次自主火星探测任务 。
第一次修正轨道
2020年8月2日 ， “天问一号”开启3000N轨控发动机工作20秒 ， 顺利完成第一次轨道中途修正 ， 继续飞向火星 。
飞行里程破1亿千米
截至2020年8月28日10时8分 ， “天问一号”飞行里程已达1亿千米 ， 距离地球约1075万千米 。
第二次修正轨道
2020年9月20日23时 ， “天问一号”4台120N发动机同时点火工作20秒 ， 顺利完成第二次轨道修正 。
首次深空“自拍”
2020年10月1日 ， 中国国家航天局发布“天问一号”飞行图像 。 这是“天问一号”首次深空“自拍” ， 茫茫宇宙中银色的着陆巡视器和金色的环绕器熠熠生辉 ， 五星红旗呈现出鲜艳的中国红 。
完成深空机动
2020年10月9日 ， “天问一号”顺利完成深空机动 。 深空机动是指在地火转移段实施的一次变轨机动 。 至此 ， 探测器的飞行轨道变为能准确被火星捕获的、与火星精确相交的轨道 。
传回首幅火星图像
2021年2月5日20时 ， “天问一号”发动机点火工作 ， 顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正 。 国家航天局同步公布了“天问一号”传回的首幅火星图像 。
来源 北京晚报（采访人员 张航 通讯员 杨璐）、新华社
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