天問一號成了！生死10分鐘、地獄級難度

經過長達七個月、累計202天、4.75億公里的漫長飛行之後，中國第一次火星探測任務「天問一號」探測器精準實施近火捕獲制動，成功進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10º的大橢圓環火軌道，成為中國第一顆人造火星衛星。

所謂火星制動捕獲，就是高速飛行的火星探測器在靠近火星時，主發動機長時間點火進行「剎車」，使探測器以大速度增量減速，從而能夠被火星的引力場所捕獲，進入環繞火星運行的軌道。

制動捕獲堪稱是火星探測任務中技術風險最高、技術難度最大的環節之一，因為制動捕獲的機會是唯一的，而且時間緊迫，控制難度極大。

在捕獲過程中，探測器發動機的點火時機、時長都必須分秒不差，才能進入理想的目標捕獲軌道。

如果探測器「剎車」太晚或是時長不夠，就會飛越火星，繼續圍繞太陽公轉，只能等待數年時間之後的下一個「制動窗口」。

如果探測器「剎車」太早或是「太急」，就有可能直接撞上火星。

天問一號拍攝的地月合影

天問一號傳回的第一張火星照片

在此之前，前蘇聯、美國、日本的火星探測任務都曾倒在「火星捕獲段」遭遇失敗。

1974年，前蘇聯火星4號在距離火星表面2200公里處制動發動機失效，與火星擦肩而過。

1999年，美國火星氣候軌道器星在實施火星制動捕獲時，軌道高度低於設計值，探測器進入火星大氣層被燒毀。

2020年，日本希望號火星探測器因為通訊和電子系統損壞，制動捕獲失敗。

2010年12月，日本拂曉號金星探測器發動機故障，直接飛越金星，直到2015年12月才回到金星附近並捕獲成功，但已經到了壽命末期。

天問一號探測器的目標軌道距離火星最近只有400公里，而接近火星時的速度已高達28千米/小時，3000N軌道控制發動機必須在有限的軌道弧段上，在10分鐘的時間內，將自己的速度降低到大約1千米/小時。

這個階段，天問一號距離地球達1.92億公里，與地面通訊的單向時間延遲就超過10.7分鐘，因此必須完全自主完成發動機的點火和關機，並克服發動機點火期間的擾動，實現點火方向、時長的精確控制。

天問一號設計了器務自主管理器雙大腦、姿軌控電腦三核心、測控通訊多通道切換策略、發動機雙關機策略、3000N和120N發動機雙重保險等多項技術，極大地提升了系統的可靠性，確保制動捕獲成功。

成功實施火星制動捕獲，標誌著中國首次火星探測任務「繞、落、巡」三大目標中的環繞目標順利達成，為後續探測器的著和巡視任務的順利實施奠定了基礎。

天問一號在後續的幾個月內還將進行多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計劃於2021年5月實施火星探測之旅中的另一項關鍵動作——環繞器和著陸巡視器「兩器分離」，最終實現火星著陸，開展巡視探測。

「兩器分離」環節需要探測器在約3個小時內首先變軌到存在撞擊火星風險的軌道上，建立並保持著陸器進入火星大氣所需要的姿態，而且姿態誤差必須小於0.01度。

到了預定分離的時刻，環繞器與著陸器必須迅速完成分離，而在經過安全距離飄飛過程後，環繞器需要立馬完成推力加速，回到安全的環繞火星軌道上。

這一過程中，無論是「降軌」還是「升軌」，都需要對時間有精準的把控，太早難以保證著陸器進入精度，太晚則會導致環繞器撞擊火星的風險。