什么是火星捕获?"天问一号"经历了怎样的奔火之旅？

新华社北京2月10日电 题：什么是火星捕获？“天问一号”经历了怎样的奔火之旅？

新华社记者胡喆

2月10日晚间，农历腊月廿九，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功实施近火制动，开启环绕火星之旅。此举也被视为此次火星探测任务的关键一步，意味着“天问一号”探测器已经成功被火星引力捕获。那么，什么是火星捕获？“天问一号”经历了怎样的奔火之旅？来看记者为您梳理的“天问一号”探火指南。

出个远门：“天问一号”已经离家200多天

飞行里程4.75亿千米、飞行时间长达202天……“天问一号”过五关斩六将，经过地火转移的漫漫旅途后，终于来到火星附近。

从地球到火星的转移，是漫长的旅行。火箭发射是整个飞行过程的开始，在发射37分钟后，探测器与火箭于距离地面670千米的太空中进行分离，探测器至此进入地火转移轨道，在地火转移轨道上经历了200多天的飞行，在地面测控系统的支持下，经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，环绕器逐渐飞近火星，进入火星捕获段。

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高的环节之一，由于火星捕获窗口的唯一性，捕获的成败决定了火星探测任务的成败，这一点火制动过程通常被称为“踩刹车”。刹车踩早了，探测器速度降得过低，探测器会坠入大气层撞击火星；刹车踩晚了，探测器就不能被火星引力捕获，从而飞离火星。

来自中国航天科技集团八院的专家告诉记者，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，制动过程还需要火星环绕器具备自主应对器上突发故障能力，确保火星捕获过程开展顺利可靠。

火星捕获：机会只有一次、时间仅30分钟

捕获段是火星探测器进入火星的引力范围到最终被火星捕获的阶段，是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一，关系任务的成败。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。

专家介绍，当航天器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。

此次火星探测任务捕获期间，探测器距离火星仅400千米，相对火星的速度却高达4至5千米每秒。捕获过程中，火星环绕器需准确进行点火制动，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。

“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、花费数年到下次路过该出口了。”中国航天科技集团八院“天问一号”探测器副总指挥张玉花说。

由于火星探测器从地球飞向火星的过程中能够被火星引力所捕获的机会只有一次，且时间仅30分钟左右，不能中断；捕获时探测器距离地球1.92亿千米，无线电通信双向延时达20多分钟，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。

刹车制动：稳、准、狠

“在太阳系里，八大行星以太阳为核心公转，形成了八个环形轨道，其中地球位于‘三环’，火星则在‘四环’。”中国航天科技集团六院11所副总设计师兰晓辉介绍：“3000牛轨控发动机承担着三项任务，一是‘三环’转移到‘四环’过程中的姿态修正，二是‘四环’上的‘刹车制动’，三是火星附近的轨道调整。就像一位尽职尽责的快递小哥。”

近似于真空的太空环境暗流涌动，隐藏着多种看不见的干扰因素，如星球引力摄动、太阳风、空间辐射等。为了防止“天问一号”不打招呼地“跑偏”，设计人员综合考虑了各种因素，进行了大量计算，设计出了一条精密的轨道，在发射前上传至发动机，给它了一份“离线地图”。

火星的质量只有地球的十分之一，引力远小于地球，探测器在近火轨道必须及时“刹车”，否则会掠过火星，这就要考验“快递小哥”刹车是否踩得稳、准、狠。在此次近火制动任务中，3000牛轨控发动机快速点火启动，并在额定点长时间连续稳定工作。

“从2010年立项到2016年定型，发动机经历了多项考核，充分验证了各项关键技术。对于3000牛发动机，我们充满信心。”兰晓辉说。

火星是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。国家航天局有关负责人表示，接下来“天问一号”将按计划进行火星环绕、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。