焦點(diǎn)訪談丨天問(wèn)一號(hào)開(kāi)啟繞火之旅

　　我國(guó)第一個(gè)火星探測(cè)器天問(wèn)一號(hào)于臘月二十九成功被火星捕獲，開(kāi)始繞火星飛行，飛行的方向也已經(jīng)通過(guò)一次平面機(jī)動(dòng)從繞著火星的赤道飛變成了繞著火星的南北極飛。繞火星飛行，是我國(guó)第一次火星探測(cè)三步走任務(wù)“繞、著、巡”中的第一步，也是整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。2月5日，國(guó)家航天局公布了天問(wèn)一號(hào)傳回的首幅火星高清照。2月12日，天問(wèn)一號(hào)繞火星飛行的影像也首次展現(xiàn)在公眾面前。

　　火星是人類(lèi)在太陽(yáng)系中最近的鄰居之一，現(xiàn)在，它和地球之間的距離大約為2億公里。天問(wèn)一號(hào)在經(jīng)歷近7個(gè)月的奔火旅程后，終于成功開(kāi)始繞火星飛行。從它第一次繞火星飛行的視頻中可以看到，火星大氣、火星表面的環(huán)形地貌清晰可見(jiàn)。

　　從2020年7月發(fā)射，天問(wèn)一號(hào)飛行距離已經(jīng)超過(guò)了4.89億公里，漫漫星路，它一直以太陽(yáng)為中心飛行，目標(biāo)就是在探測(cè)器到達(dá)火星軌道時(shí)，火星也剛好到達(dá)。從而實(shí)現(xiàn)被火星捕獲，成為圍繞火星飛行的一顆衛(wèi)星。

　　航天科技集團(tuán)八院天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱新波說(shuō)：“可以理解成一輛車(chē)行駛在高速公路上，現(xiàn)在要出去進(jìn)入匝道，時(shí)機(jī)不能早也不能晚。這個(gè)時(shí)候剎車(chē)就要求位置和速度，對(duì)當(dāng)前位置和速度有比較精確的測(cè)量，同時(shí)還需要對(duì)剎車(chē)力的大小要有保證。”

　　從飛行軌道調(diào)整到探測(cè)器姿態(tài)調(diào)整，再到相對(duì)火星減速，整個(gè)近火過(guò)程細(xì)節(jié)多，要求高，堪稱(chēng)人類(lèi)航天器探火的一個(gè)生死關(guān)口，也是完成后續(xù)任務(wù)重要的基礎(chǔ)。

　　航天科技集團(tuán)五院天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器總體主任設(shè)計(jì)師董捷說(shuō)：“它是一次性不可逆的過(guò)程，如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有點(diǎn)火，或者說(shuō)點(diǎn)火的姿態(tài)有問(wèn)題就飛出去了，可以認(rèn)為這個(gè)任務(wù)失敗了。”

　　為了完成近火制動(dòng)，天問(wèn)一號(hào)不僅跑得遠(yuǎn)，也是自主化程度最高的一個(gè)。為了確保自己在茫茫太空飛行時(shí)能準(zhǔn)確找到通往火星的出口，除了傳統(tǒng)的無(wú)線電通信導(dǎo)航以外，天問(wèn)一號(hào)第一次利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器作為備份導(dǎo)航工具，這就是給探測(cè)器安上了一雙眼睛，能讓它自己判斷在太空里的位置。

　　朱新波說(shuō)：“它主要是通過(guò)拍攝火星，然后根據(jù)火星圖像的大小，確定距離、確定火星跟探測(cè)器之間的方向，對(duì)軌道有自主的導(dǎo)航，在地面無(wú)線電失效的情況下，可以把自主導(dǎo)航數(shù)據(jù)接進(jìn)去。”

　　2月10日，天問(wèn)一號(hào)近火制動(dòng)準(zhǔn)時(shí)開(kāi)始。要讓天問(wèn)一號(hào)順利被火星捕獲，要在15分鐘左右的時(shí)間內(nèi)，把探測(cè)器與火星的相對(duì)速度降低到可以被火星捕獲到范圍內(nèi)，根據(jù)之前的設(shè)計(jì)方案，完成這一任務(wù)的主角是就探測(cè)器上一臺(tái)3000N發(fā)動(dòng)機(jī)，這是我國(guó)為了深空探測(cè)任務(wù)專(zhuān)門(mén)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)。近火制動(dòng)過(guò)程中的點(diǎn)火，是它在天問(wèn)一號(hào)任務(wù)中最重要的工作之一。

　　時(shí)延，是人類(lèi)進(jìn)行深空探索面臨的共同難題。此前嫦娥探月時(shí)，時(shí)延只有一兩秒，感覺(jué)并不明顯，大多數(shù)時(shí)候地面還可以直接控制探測(cè)器的動(dòng)作。但是，天問(wèn)一號(hào)到達(dá)火星時(shí)，探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)需要在宇宙空間里跑11分鐘左右才能到達(dá)地球，地面上的操控人員即使能實(shí)時(shí)作出判斷回復(fù)，到達(dá)探測(cè)器時(shí)又已經(jīng)過(guò)去了11分鐘，早就錯(cuò)過(guò)了合適的動(dòng)作時(shí)機(jī)，因此判斷動(dòng)作時(shí)機(jī)到來(lái)時(shí)，天問(wèn)一號(hào)需要自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)。

　　朱新波說(shuō)：“我們都是通過(guò)延時(shí)指令的形式去操作，延時(shí)指令實(shí)際上是什么意思呢？它是在原計(jì)劃指令內(nèi)容上加上一個(gè)時(shí)間，然后把這些指令發(fā)到探測(cè)器上之后，探測(cè)器會(huì)存儲(chǔ)下來(lái)，然后根據(jù)這些時(shí)間標(biāo)簽去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，或者去觸發(fā)一系列的動(dòng)作。”

　　按照計(jì)劃，近火捕獲開(kāi)始15分鐘后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火就會(huì)結(jié)束，即使加上11分鐘的時(shí)延，26分鐘后地面就能接到第一批遙測(cè)數(shù)據(jù)確認(rèn)整個(gè)近火制動(dòng)的情況，但是因?yàn)轱w行的軌道設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始后沒(méi)多久，天問(wèn)一號(hào)就飛到了火星的背面，稱(chēng)為火星的“星掩區(qū)”，此時(shí)，火星的遮擋完全中斷了探測(cè)器和地球之間的通信。

　　2021年2月10日20時(shí)15分，火星遮擋收不到信號(hào)，此時(shí)，地面控制人員能做的只有一件事：等。這個(gè)時(shí)候探測(cè)器上一旦有任何問(wèn)題，地面都一無(wú)所知，為了保證整個(gè)任務(wù)能順利完成，在研發(fā)過(guò)程中，僅僅制動(dòng)捕獲的工作就設(shè)計(jì)了50多個(gè)故障預(yù)案。

　　2月10日，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火幾十分鐘后，地面終于收到了來(lái)自天問(wèn)一號(hào)的消息。成功被火星捕獲后，天問(wèn)一號(hào)解鎖了新任務(wù)，接下來(lái)三個(gè)月，探測(cè)器在幾次變軌后就要開(kāi)啟火星登陸準(zhǔn)備模式?；鹦翘綔y(cè)“繞、著、巡”三個(gè)任務(wù)聽(tīng)起來(lái)似乎是依次完成，但要在2億公里外完成所有任務(wù)，許多動(dòng)作都是相互交織，彼此關(guān)聯(lián)。比如飛行軌道的設(shè)計(jì)，必須兼顧不同任務(wù)的需求，近火制動(dòng)時(shí)進(jìn)入“星掩區(qū)”就是這樣一個(gè)平衡的結(jié)果。

　　航天科技集團(tuán)五院天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器總體軌道主任設(shè)計(jì)師周文艷說(shuō)：“在設(shè)計(jì)的時(shí)候如果以其他狀態(tài)到達(dá)火星，它可以整個(gè)過(guò)程有通訊，但是對(duì)于后續(xù)完成其他任務(wù)會(huì)帶來(lái)困難，著陸巡視器一進(jìn)去，電源可能就會(huì)不夠，達(dá)不到預(yù)期的目的。權(quán)衡任務(wù)約束，還是選擇了它會(huì)進(jìn)入星掩的狀態(tài)。”

　　就在天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器一路奔火的途中，在地面，火星車(chē)1∶1復(fù)制的試驗(yàn)車(chē)還在不停進(jìn)行地面驗(yàn)證，為著陸后可能遇到的情況做準(zhǔn)備。跟月球上的玉兔車(chē)相比，火星車(chē)即將開(kāi)始的火星漫步，不光要面臨長(zhǎng)時(shí)延帶來(lái)的操控難題，還要面對(duì)火星上復(fù)雜的氣候和地理環(huán)境。

　　航天科技集團(tuán)五院天問(wèn)一號(hào)火星車(chē)遙操作主任設(shè)計(jì)師張建利說(shuō)：“在火星表面整個(gè)地形是崎嶇的，像人一樣，腳踩下去有可能就陷進(jìn)去了，整個(gè)生命就結(jié)束了，還有沙塵暴什么時(shí)候來(lái)這些都是未知的。”

　　2月15日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)行了遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動(dòng)，讓探測(cè)器的飛行從繞著火星的赤道變成繞著火星南北極。再經(jīng)過(guò)一次調(diào)整后將進(jìn)入停泊軌道，這幾次軌道的調(diào)整，就是為了讓天問(wèn)一號(hào)親眼看一看之前選中的著陸點(diǎn)。

　　董捷說(shuō)：“把軌道掰過(guò)來(lái)，掰成接近于垂直赤道平面的軌道，主要和后面任務(wù)進(jìn)行銜接?？梢赃^(guò)火星的緯度更高一些，我們?cè)诒本?0度到30度的著陸區(qū)停泊軌道，主要是保證每圈都能過(guò)著陸點(diǎn)。”

　　從發(fā)射后奔火到近火制動(dòng)，這一路上，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器并沒(méi)有全部開(kāi)機(jī)，負(fù)責(zé)飛行的主要是環(huán)繞器，火星車(chē)和著陸平臺(tái)目前還在休眠中，何時(shí)將它們喚醒，讓它們開(kāi)始工作，關(guān)鍵就要看接下來(lái)三個(gè)月環(huán)繞器工作的結(jié)果。

　　朱新波說(shuō)：“環(huán)繞器會(huì)利用攜帶的高分辨相機(jī)，對(duì)著陸巡視器預(yù)定的著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的地形、地貌探測(cè)，同時(shí)還會(huì)利用中分辨相機(jī)、紅外礦物分析儀，對(duì)著陸區(qū)附近的大幅寬的大面積的區(qū)域進(jìn)行沙塵暴探測(cè)，因?yàn)閾?dān)心著陸的時(shí)候會(huì)有沙塵暴的影響，所以說(shuō)在停泊軌道上，整個(gè)來(lái)講就是會(huì)對(duì)著陸區(qū)的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)預(yù)報(bào)，為著陸器的著陸提供一個(gè)比較好的著陸環(huán)境預(yù)報(bào)，然后我們會(huì)擇機(jī)跟著陸巡視器進(jìn)行分離。”

　　而對(duì)環(huán)繞器而言，完成著陸預(yù)報(bào)后，它的工作還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，著陸巡視器如果能在火星表面正常開(kāi)展工作，環(huán)繞器將為火星表面探測(cè)和地球的通信擔(dān)當(dāng)中繼衛(wèi)星，傳遞信號(hào)，而等到火星車(chē)三個(gè)月的工作計(jì)劃結(jié)束后，環(huán)繞器還將繼續(xù)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)火星年，相當(dāng)于兩個(gè)地球年的深度探測(cè)工作。

　　朱新波說(shuō)：“三個(gè)月之后，我們會(huì)轉(zhuǎn)入正式的科學(xué)任務(wù)軌道，在科學(xué)任務(wù)軌道上，要開(kāi)始對(duì)火星的地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)、水冰分布，表面的物質(zhì)成分以及火星的空間環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，最終會(huì)形成火星全球圖。”

　　天問(wèn)一號(hào)任務(wù)目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)，從而拉開(kāi)我國(guó)行星探測(cè)帷幕。目前，天問(wèn)一號(hào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“繞”這一目標(biāo)，成為火星的一顆人造衛(wèi)星，這看似簡(jiǎn)單的任務(wù)卻大有玄機(jī)，也和整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，不僅有精確到秒的計(jì)算，也有前后期任務(wù)的相互配合。更重要的是，這也意味著中國(guó)航天器完全具備了行星際空間旅行的能力，接下來(lái)，讓我們一起期待3個(gè)月后的火星著陸。

　　制片人丨劉年 崔霞 李作詩(shī)

　　編輯丨陸宇佳 吳天白 王艷歌

　　攝像丨張敏

　　責(zé)編丨溫娜 時(shí)瑤

　　剪輯丨鄭昱