牛俊坡 李柏杨 科技日报记者 付毅飞
2021年2月10日19时52分，历经202天太空航行的我国首个火星探测器天问一号终于飞抵火星，并成功实施捕获制动，精准进入环火轨道，正式开启了环绕火星阶段的探测任务。
制动捕获，简单来说就是通过发动机推力减速控制，来降低探测器的速度，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“刹车”。记者从中国航天科技集团了解到，天问一号的这次“刹车”不仅精准，而且全程由它自主完成。
天问一号效果图。中国航天科技集团八院供图
刹车机会只有一次，错过要等12年
作为火星探测任务中技术风险高、技术难度大的环节之一，关系着整个工程任务的成败。而且近火制动的机会只有一次，如果天问一号错过了，下一次合适的窗口期在2033年。
对于以每秒钟28公里速度飞向火星的天问一号来说，要想在有限的“捕获窗口”内精准地完成“刹车”，面临着各种难题。
我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射。新华社记者 胡喆 摄
天问一号负责实施制动捕获的环绕器上，配置了1台3000牛推力的轨道控制发动机。根据火星引力捕获窗口，要求它在10分钟内将速度降低约每秒1公里。
这一动作，常规卫星可以由地面实时操控，而天问一号此时距离地球约1.92亿公里，与地面之间数据通信的单向时间延迟达到10.7分钟左右，它只能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情况下，我们惟有通过方案设计，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，让控制方案更加健壮可靠。”航天科技集团八院火星环绕器副总设计师朱庆华介绍。
天问一号火星探测器拍摄的首幅火星图像。国家航天局供图
研制团队从20世纪70年代的美国海盗号火星探测器开始，研究了目前国际上所有的火星探测器，并对国外的失败和成功案例进行深入剖析。“我们对火星探测全过程反复推演，可以说已经将我们能想到的所有可能情况都考虑了进去，并通过各种可能事件的组合来测试我们的方案和产品。”八院火星探测GNC（制导导航控制）系统主任设计师聂钦博说。
记者从航天科技集团五院了解到，五院总体设计部轨道设计团队协同控制系统对近200种故障工况开展分析，确定了关键参数及阈值，编写了近200份故障预案。
0.3%的影响？不能有！
开始刹车时，天问一号的目标轨道距离火星最近只有大约400公里，稍有偏差就会撞击或飞离火星。尤其是要想进入理想的环火轨道，对近火制动的精度有极高要求。
在此前的一次半物理仿真试验中，探测器捕获制动精度与指标要求出现明显偏差，使得研制团队高度紧张。
方案已考虑了探测器燃料消耗引起的质量变化，也考虑了推力方向偏心造成的姿态干扰等多种可能的因素，为什么精度还是不够呢？
经过深入分析，研制人员发现了问题。
在主发动机实施推力减速前，探测器要先启动用于姿态控制的小推力器，通过姿态控制推力器产生的加速度，使燃料集中到贮箱底部，便于主发动机工作，这个步骤被称为“沉底”。然而在试验中，制动前的“沉底”时间过长，对捕获控制的速度增量产生了约0.3%的影响。
研制团队迅速对这一过程进行精确量化分析，将沉底工作过程的推力减小了一倍，并将沉底过程对速度增量的影响引入到主发动机关机时机的计算中，通过方案优化和进一步仿真验证，让捕获制动精度显著提升。
承担着指挥控制任务的GNC单元则采用了三模冗余方案。在团队多轮设计、仿真及验证工作下，3台计算机可确保“步调一致”并实现“民主表决”，即运算时刻和初始数据始终保持一致，进而通过少数服从多数的原则，确保计算结果准确无误。
资料图：2020年10月1日，中国国家航天局发布中国首次火星探测任务天问一号探测器飞行图像，图上的五星红旗光彩夺目，呈现出鲜艳的中国红。这是中国天问一号探测器首次深空“自拍”。国家航天局供图
刹车之后，还有这些动作要完成
要实现完美刹车，绝非“一脚之功”。
整个太空航行过程中，天问一号都要保持行进在预定轨道上，为最后的刹车奠定基础。
与嫦娥系列探测器在地月空间飞行不同，天问一号发射升空3天后就彻底脱离了地球引力场，进行的是星际航行。为了确保它能够顺利奔火，五院总体设计部轨道设计团队悉心为它设计了最优的飞行轨道和详尽的控制策略。
我国首次火星探测任务“天问一号”探测器完成第一次轨道中途修正。在北京航天飞行控制中心，航天科技人员在现场工作。新华社记者 才扬 摄
在地火转移过程中，天问一号长期处于无动力飞行状态，难免会受到入轨偏差、控制偏差和其他摄动因素的影响，与预定轨道产生一定偏离。要想更接近理论轨道飞行，它就需要通过中途修正的方式，进行飞行方向和速度的细节调整。自发射以来，它已经实施了4次轨道中途修正。
探测器深空机动轨道示意图。李贵良 制作
天问一号漂亮地完成了这次“大漂移”，不过接下来，它还有一串复杂的动作要完成。
记者从五院了解到，进入环火轨道后，天问一号要在远火点进行一次平面机动，调整飞行的轨道倾角，为后续着陆工作审时度势、奠定基础。
回到近火点时，它要慢踩刹车，准备更换线路，迈入到停泊调向轨道，对轨道周期进行相应调整，以保证轨迹经过预定的着陆点。
在停泊调相轨道上再次到达近火点时，天问一号要进行第三次刹车，进入停泊轨道，并在该轨道上进行多次维持，以保证能够在预定时间、预定地点完成着陆巡视器的着陆。
上述步骤全部完成后，它将再次减速，进入停泊轨道，对着陆区进行拍摄成像，选择合适的位置开展环绕器与着陆巡视器的分离，让着陆巡视器进入火星大气。
