揭秘如何高難度“剎車”

北京時間二月十日晚，中國首次自主火星探測器天問一號成功實施“制動捕獲”，隨後進入環繞火星軌道。作為中國此次火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，“制動捕獲”這一動作被形象稱為“踩剎車”。中國航天科技集團八院的專家解析了這一關鍵動作背後的難度。

如車減速進匝道

開車的人都知道，在高速公路下匝道需要讓車速降下來，才能安全經過彎道。類似的，對於以高速度向著火星靠近的探測器來說，要想被火星引力所捕獲，也必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主可靠地完成“剎車”。

“制動捕獲”簡單來說，就是通過發動機進行推力減速，降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲。

遠距全自動剎車

火星引力的“捕獲窗口”有限，要求探測器在十五分鐘內將速度從28km/s（公里每秒）降低至約1km/s。與常規衛星可以由地面實時操控不同，“制動捕獲”過程中，天問一號探測器距離地球約一點九二億公里，地球與探測器之間的數據通信單向時間延遲超過十點七分鐘，探測器必須完全依靠自身來完成發動機點火和關機，克服發動機點火期間的擾動，並實現點火方向和點火時長的精確控制。

環繞器副總設計師朱慶華說，“在失去地面實時測控的環境下，我們只有通過方案設計，充分考慮發動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自動地執行精確軌道控制，再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加可靠。”

必須“一次成功”

“天問一號”在太空的這一腳“剎車”不僅需要“一次成功”，而且風險非常高；踩早了，速度降得過低，就會墜入大氣層撞擊火星；踩晚了，就不能被火星引力捕獲，因而飛離火星。

為何必須“一次到位”？打個比方，地火轉移軌道就像是一條以太陽為中心的橢圓形閉環高速，火星只是這條高速上的一個出口，一旦探測器不能及時剎車，從火星出口下高速，那就只能多繞一圈（需要數年時間）到下次路過該出口了。因此，在這關鍵的剎車段，研製團隊設計了相關剎車方案，可以準確判斷環繞器是否降至目標速度、實時判斷發動機推力的大小和方向、自主更新剎車參數及相應的控制算法等，確保可靠、精準完成這一腳高難度“剎車”。

（上海十日電）

中新社記者 鄭瑩瑩郭超凱