“天问”刹车踩得牛 昨去火星过牛年

本版图片 天问环火效果图 上海航天 供图

本报记者 叶薇

昨天19时52分，由中国航天科技集团研制的天问一号火星探测器抵达火星，顺利实施制动点火，正式成为火星的人造卫星。这也标志着我国首次火星探测任务“绕、落、巡”三大目标中的环绕目标顺利达成，为后续着陆、巡视任务的实施奠定了基础。

火星环绕器，是实现火星捕获的主要担当，由中国航天科技集团八院（上海航天技术研究院）抓总研制。今晚，上海航天火星研制团队20多名队员将在北京飞控中心度过除夕之夜，陪天问一号一起异地过年。

全自动“刹车”精准 可控

制动捕获，简单来说就是通过发动机推力减速控制，降低探测器的速度，使其能够被目标星体的引力所捕获，这一动作也被形象地称为“踩刹车”。这一脚刹车至关重要，关系着整个工程任务的成败。

本次火星探测任务捕获时，探测器的目标轨道距离火星最近处仅400公里,一不留神就会撞击火星或飞离火星。捕获过程中，火星环绕器需要准确地点火制动，只有点火时机和时长都分秒不差，才能形成理想的目标捕获轨道。打个比方，地火转移轨道就像是一条以太阳为中心的椭圆形闭环高速，火星只是这条高速上的一个出口，一旦探测器不能及时刹车、从火星出口下高速，那就只能多绕一圈（需要数年时间）到下次路过该出口了。

对于以每秒28公里高速靠近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，也必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠完成“刹车”。

火星探测器配置了1台3000N的轨道控制发动机，用来引力捕获时的制动减速控制。火星引力捕获窗口有限，要求探测器在10分钟内将速度降低约每秒1公里。与常规卫星可以由地面实时操控不同，制动捕获过程中，探测器距离地球1.92亿公里，地球与探测器之间数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。

“在失去地面实时测控的环境下，我们只有通过方案设计，充分考虑发动机推力存在偏差、探测器质心（物体质量集中点）不断变化等情况，全自主执行精确轨道控制；再通过多因素组合的测试和仿真分析，让控制方案更加可靠。”环绕器副总设计师朱庆华说。

自2020年7月23日发射以来，火星探测研制团队已经持续开展了202天的在轨飞行控制任务，完成了四次中途修正和一次深空机动，开展了各种自检和功能验证工作，对探测器的测控通信能力、能源保障能力、姿轨控能力、自主管理能力等逐一测试，确保制动捕获过程涉及的功能、性能得到充分检验。后续天问一号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5月至6月择机实施火星探测。

“超轻薄羽绒服”自主控温

面对极端温度环境与超远距离热控制的难题，八院热控团队开创性提出为卫星穿上最新款超轻超薄“羽绒服”，给热控系统开启“自动驾驶”功能，成功解决了超低温环境下的热控自适应和超远距离热控自主管理的难题，为“天问一号”的奔火之路提供了一个温暖如春的“冬季”旅行环境。

火星环绕器在地球附近受到太阳辐射最大，抵达火星附近受到太阳辐射最小，导致卫星外部面对温差巨大，存在几百次温度交变，阴影期器上极端低温低达-180℃。另一方面，由于火星轨道存在约2小时的超长阴影期，阴影期间接收不到太阳光照，导致无法储存能源，如何使环绕器既能适应地球附近的高温又能适应火影期的极端低温，是热控设计师首先需要解决的难题。

热控团队一改以往近地卫星“散热为主”的设计思路，大胆提出为环绕器穿羽绒服保温的思路。热控团队开展了多层次、多姿态、高精度热控仿真分析，涵盖15个飞行阶段、20个飞行姿态，精确分析出环绕器外表面漏热点的漏热量，针对漏热多的区域加厚保温，需要降温的区域进行减薄散热，设计出一款“薄中有厚，厚薄相间”超轻超薄款“羽绒服”。

由于火星的极端恶劣热环境，仅仅采用保温设计理念肯定是不够的。为了兼顾近地高温和近火低温，且承受进出阴影恶劣的交变热环境，团队不再使用单一的加热器阈值设计思路，采用加热器分档分时工作策略，创造性地将加热器分成五个不同的档位在不同的时段工作，并完成档位自主切换。

火影期能源受限，因此需要采用低档控温，光照期能源充足，将档位提高，存储热能，供阴影期再利用，另外为了兼顾科学探测的相机安装面温度要求，科学探测时采用中档控温，在能源紧缺时还可以采用应急档位和超低档，通过这种多档自主控温可以有效节省10%的能源，达到了精准控温和节省能源的作用。

明亮“眼睛”看清火星的脸

2月5日，国家航天局发布了天问一号在距离火星约220万公里处，获取的首幅火星图像。天问一号用光学导航敏感器，在浩瀚的星空中找到火星后，测出相对角度，然后控制天问一号精准指向火星，再用高分相机对火星拍摄，火星首图由此诞生。

天问一号离开地球以后，北斗等全球导航系统便逐渐派不上用场。而在没有北斗，没有GPS的情况下，茫茫太空中，天问一号靠的就是光学导航敏感器实现导航引路。

光学导航敏感器由航天科技集团八院控制所研制，可以利用拍摄的恒星与火星图像，精确计算出自身的飞行姿态、位置与速度，实现相对火星的自主导航。这也是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术。

“光学导航敏感器就好比天问一号自动驾驶过程中的‘眼睛’。”八院光学导航专家郑循江打了个比方。一旦有了这双明亮的眼睛，在飞近火星的航行中，探测器靠这双眼睛实时观测火星的距离和方向，让飞控团队可以更直观地确认飞行轨道和姿态，计算图像中火星的几何中心和视半径，天问一号就可以通过最优估计算法来自主获取实时的位置和速度信息了。

天问一号在飞近火星的过程，导航敏感器是一只“千里眼”，最远可以在1000万公里的距离识别火星，还能自主适应火星从点目标到面目标、从弱目标到强目标的火星图像提取，从而实现即使没有外部导航信息，也能够在深空飞行中自主找到前进的道路。这也是支撑中国未来进一步走向宇宙更远空间的重要技术之一。

除了光学导航敏感器等拍照神器，八院火星环绕器工程测量团队结合全飞行过程，设计了太阳翼展开、定向天线展开、地月拍照、太空自拍、火星拍照、器器分离过程等监测任务。既要实现如此多的监测任务，又要保证质量、功耗、体积等资源需求小，团队还专门研制了一组“小块头”组成的工程测量分系统，包括固连遥测探头、近距离遥测探头、国旗。

在飞向火星的旅程中，固连遥测探头一路监测天问一号的状态，完成了太阳翼展开过程、定向天线展开监测，在定向天线展开到位的同时拍摄到了地球。近距离遥测探头由控制线路盒、分离测量传感器和回拍测量传感器组成。分离测量传感器就是完成天问一号全貌拍摄及国旗自拍的那个“小块头”。有别于分离测量传感器，回拍测量传感器安装于火星环绕器本体、无法实施分离，但配置了100°的超大视角，尽可能地拍摄镜头中看到的一切。