天問一號開啟繞火之旅 “簡單”任務(wù)背后大有玄機

焦點訪談丨天問一號開啟繞火之旅

　　我國第一個火星探測器天問一號于臘月二十九成功被火星捕獲，開始繞火星飛行，飛行的方向也已經(jīng)通過一次平面機動從繞著火星的赤道飛變成了繞著火星的南北極飛。繞火星飛行，是我國第一次火星探測三步走任務(wù)“繞、著、巡”中的第一步，也是整個火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。2月5日，國家航天局公布了天問一號傳回的首幅火星高清照。2月12日，天問一號繞火星飛行的影像也首次展現(xiàn)在公眾面前。

　　火星是人類在太陽系中最近的鄰居之一，現(xiàn)在，它和地球之間的距離大約為2億公里。天問一號在經(jīng)歷近7個月的奔火旅程后，終于成功開始繞火星飛行。從它第一次繞火星飛行的視頻中可以看到，火星大氣、火星表面的環(huán)形地貌清晰可見。

　　從2020年7月發(fā)射，天問一號飛行距離已經(jīng)超過了4.89億公里，漫漫星路，它一直以太陽為中心飛行，目標(biāo)就是在探測器到達火星軌道時，火星也剛好到達。從而實現(xiàn)被火星捕獲，成為圍繞火星飛行的一顆衛(wèi)星。

　　航天科技集團八院天問一號環(huán)繞器副總設(shè)計師朱新波說：“可以理解成一輛車行駛在高速公路上，現(xiàn)在要出去進入匝道，時機不能早也不能晚。這個時候剎車就要求位置和速度，對當(dāng)前位置和速度有比較精確的測量，同時還需要對剎車力的大小要有保證。”

　　從飛行軌道調(diào)整到探測器姿態(tài)調(diào)整，再到相對火星減速，整個近火過程細節(jié)多，要求高，堪稱人類航天器探火的一個生死關(guān)口，也是完成后續(xù)任務(wù)重要的基礎(chǔ)。

　　航天科技集團五院天問一號著陸巡視器總體主任設(shè)計師董捷說：“它是一次性不可逆的過程，如果發(fā)動機沒有點火，或者說點火的姿態(tài)有問題就飛出去了，可以認(rèn)為這個任務(wù)失敗了。”

　　為了完成近火制動，天問一號不僅跑得遠，也是自主化程度最高的一個。為了確保自己在茫茫太空飛行時能準(zhǔn)確找到通往火星的出口，除了傳統(tǒng)的無線電通信導(dǎo)航以外，天問一號第一次利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器作為備份導(dǎo)航工具，這就是給探測器安上了一雙眼睛，能讓它自己判斷在太空里的位置。

　　朱新波說：“它主要是通過拍攝火星，然后根據(jù)火星圖像的大小，確定距離、確定火星跟探測器之間的方向，對軌道有自主的導(dǎo)航，在地面無線電失效的情況下，可以把自主導(dǎo)航數(shù)據(jù)接進去。”

　　2月10日，天問一號近火制動準(zhǔn)時開始。要讓天問一號順利被火星捕獲，要在15分鐘左右的時間內(nèi)，把探測器與火星的相對速度降低到可以被火星捕獲到范圍內(nèi)，根據(jù)之前的設(shè)計方案，完成這一任務(wù)的主角是就探測器上一臺3000N發(fā)動機，這是我國為了深空探測任務(wù)專門研制的發(fā)動機。近火制動過程中的點火，是它在天問一號任務(wù)中最重要的工作之一。

　　時延，是人類進行深空探索面臨的共同難題。此前嫦娥探月時，時延只有一兩秒，感覺并不明顯，大多數(shù)時候地面還可以直接控制探測器的動作。但是，天問一號到達火星時，探測器發(fā)出的信號需要在宇宙空間里跑11分鐘左右才能到達地球，地面上的操控人員即使能實時作出判斷回復(fù)，到達探測器時又已經(jīng)過去了11分鐘，早就錯過了合適的動作時機，因此判斷動作時機到來時，天問一號需要自動執(zhí)行任務(wù)。

　　朱新波說：“我們都是通過延時指令的形式去操作，延時指令實際上是什么意思呢？它是在原計劃指令內(nèi)容上加上一個時間，然后把這些指令發(fā)到探測器上之后，探測器會存儲下來，然后根據(jù)這些時間標(biāo)簽去執(zhí)行相應(yīng)的動作，或者去觸發(fā)一系列的動作。”

　　按照計劃，近火捕獲開始15分鐘后發(fā)動機點火就會結(jié)束，即使加上11分鐘的時延，26分鐘后地面就能接到第一批遙測數(shù)據(jù)確認(rèn)整個近火制動的情況，但是因為飛行的軌道設(shè)計，發(fā)動機點火開始后沒多久，天問一號就飛到了火星的背面，稱為火星的“星掩區(qū)”，此時，火星的遮擋完全中斷了探測器和地球之間的通信。

　　2021年2月10日20時15分，火星遮擋收不到信號，此時，地面控制人員能做的只有一件事：等。這個時候探測器上一旦有任何問題，地面都一無所知，為了保證整個任務(wù)能順利完成，在研發(fā)過程中，僅僅制動捕獲的工作就設(shè)計了50多個故障預(yù)案。

　　2月10日，發(fā)動機點火幾十分鐘后，地面終于收到了來自天問一號的消息。成功被火星捕獲后，天問一號解鎖了新任務(wù)，接下來三個月，探測器在幾次變軌后就要開啟火星登陸準(zhǔn)備模式。火星探測“繞、著、巡”三個任務(wù)聽起來似乎是依次完成，但要在2億公里外完成所有任務(wù)，許多動作都是相互交織，彼此關(guān)聯(lián)。比如飛行軌道的設(shè)計，必須兼顧不同任務(wù)的需求，近火制動時進入“星掩區(qū)”就是這樣一個平衡的結(jié)果。

　　航天科技集團五院天問一號探測器總體軌道主任設(shè)計師周文艷說：“在設(shè)計的時候如果以其他狀態(tài)到達火星，它可以整個過程有通訊，但是對于后續(xù)完成其他任務(wù)會帶來困難，著陸巡視器一進去，電源可能就會不夠，達不到預(yù)期的目的。權(quán)衡任務(wù)約束，還是選擇了它會進入星掩的狀態(tài)。”

　　就在天問一號探測器一路奔火的途中，在地面，火星車1∶1復(fù)制的試驗車還在不停進行地面驗證，為著陸后可能遇到的情況做準(zhǔn)備。跟月球上的玉兔車相比，火星車即將開始的火星漫步，不光要面臨長時延帶來的操控難題，還要面對火星上復(fù)雜的氣候和地理環(huán)境。

　　航天科技集團五院天問一號火星車遙操作主任設(shè)計師張建利說：“在火星表面整個地形是崎嶇的，像人一樣，腳踩下去有可能就陷進去了，整個生命就結(jié)束了，還有沙塵暴什么時候來這些都是未知的。”

　　2月15日，天問一號進行了遠火點平面機動，讓探測器的飛行從繞著火星的赤道變成繞著火星南北極。再經(jīng)過一次調(diào)整后將進入停泊軌道，這幾次軌道的調(diào)整，就是為了讓天問一號親眼看一看之前選中的著陸點。

　　董捷說：“把軌道掰過來，掰成接近于垂直赤道平面的軌道，主要和后面任務(wù)進行銜接。可以過火星的緯度更高一些，我們在北緯20度到30度的著陸區(qū)停泊軌道，主要是保證每圈都能過著陸點。”

　　從發(fā)射后奔火到近火制動，這一路上，天問一號探測器并沒有全部開機，負責(zé)飛行的主要是環(huán)繞器，火星車和著陸平臺目前還在休眠中，何時將它們喚醒，讓它們開始工作，關(guān)鍵就要看接下來三個月環(huán)繞器工作的結(jié)果。

　　朱新波說：“環(huán)繞器會利用攜帶的高分辨相機，對著陸巡視器預(yù)定的著陸區(qū)進行詳細的地形、地貌探測，同時還會利用中分辨相機、紅外礦物分析儀，對著陸區(qū)附近的大幅寬的大面積的區(qū)域進行沙塵暴探測，因為擔(dān)心著陸的時候會有沙塵暴的影響，所以說在停泊軌道上，整個來講就是會對著陸區(qū)的環(huán)境進行探測預(yù)報，為著陸器的著陸提供一個比較好的著陸環(huán)境預(yù)報，然后我們會擇機跟著陸巡視器進行分離。”

　　而對環(huán)繞器而言，完成著陸預(yù)報后，它的工作還遠沒有結(jié)束，著陸巡視器如果能在火星表面正常開展工作，環(huán)繞器將為火星表面探測和地球的通信擔(dān)當(dāng)中繼衛(wèi)星，傳遞信號，而等到火星車三個月的工作計劃結(jié)束后，環(huán)繞器還將繼續(xù)長達一個火星年，相當(dāng)于兩個地球年的深度探測工作。

　　朱新波說：“三個月之后，我們會轉(zhuǎn)入正式的科學(xué)任務(wù)軌道，在科學(xué)任務(wù)軌道上，要開始對火星的地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)、水冰分布，表面的物質(zhì)成分以及火星的空間環(huán)境進行探測，最終會形成火星全球圖。”

　　天問一號任務(wù)目標(biāo)是通過一次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，從而拉開我國行星探測帷幕。目前，天問一號已經(jīng)實現(xiàn)“繞”這一目標(biāo)，成為火星的一顆人造衛(wèi)星，這看似簡單的任務(wù)卻大有玄機，也和整個火星探測任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，不僅有精確到秒的計算，也有前后期任務(wù)的相互配合。更重要的是，這也意味著中國航天器完全具備了行星際空間旅行的能力，接下來，讓我們一起期待3個月后的火星著陸。

　　制片人丨劉年 崔霞 李作詩

　　編輯丨陸宇佳 吳天白 王艷歌

　　攝像丨張敏

　　責(zé)編丨溫娜 時瑤

　　剪輯丨鄭昱