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揭秘:“天问一号”成败的关键点为何是火星捕获?
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-07-23 15:28
摘要:到底什么是火星捕获?

火星,太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的一颗行星,一直是人类走出地月系统,开展深空探测的首选目标。

由于火星距离地球较远,因此探测火星需要选择它与地球距离较近的时机,而这样的机会每隔26个月才有一次。随着7月23日12时41分,长征五号火箭将我国天问一号火星探测器发射升空,“天问一号”正式开启奔火之旅。我国首次火星探测任务计划通过一次发射任务实现火星环绕、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。

不过,火箭将天问一号发射升空进入预定轨道仅仅是第一步。

这注定是一次漫长的旅途,由环绕器和着陆巡视器组成的火星探测器,需要使用精心设计的地火转移轨道飞行大约200天后,才能抵近火星。此时,探测器要想顺利着陆火星,需要环绕器一脚精准的“刹车”,才能让火星成功捕获探测器。

捕获段是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一,关系整个任务成败。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。

上海航天技术研究院科研三部副部长葛钊说,当航天器在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。本次火星探测任务捕获期间,探测器距离火星仅400公里,相对火星的速度却高达4至5公里/秒。捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,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,后续也就不会有火星车着陆火星并巡视的片段了。

而且,这次刹车,有且仅有一次机会。此时距离地球1.93亿公里,通讯单向时延约11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。这脚刹车可以说太难了,早了、晚了,深了、浅了都不行。

据专家介绍,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,在制动过程中,环绕器需要在自身出现突发状况时自主完成相应处理,最大限度保证火星捕获成功。只有被火星成功捕获,环绕器才能与着陆巡视器分离,着陆巡视器才能完成着陆火星并释放火星车的壮举,届时,才能看到中国火星车在火星这一梦想星球留下的一道道中国印迹。

200天后,让我们一起期待中国火星探测器被火星捕获的成功瞬间。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:黄海昕 设计
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