刚刚，“天问一号”启程奔赴火星！揭秘我国首次奔火之旅的“上海担当”

漫画来源/中国航天科技集团八院

　　新民晚报讯（记者 叶薇）今天中午，我国首次自主火星探测任务探测器“天问一号”搭载长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场成功发射。

　　“天问一号”包括环绕器、着陆器和巡视器三部分，分别装载不同的科学探测载荷，目标为一次发射实现“绕、落、巡”三个探测任务，这在国际上尚属首例。

　　首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花介绍，根据任务分工，中国航天科技集团有限公司八院（上海航天技术研究院）承担本次火星探测任务中的环绕器总体设计与研制工作。环绕器在“天问一号”中扮演什么角色？研制过程中要突破哪些关键技术？听上海航天专家讲述“上海制造”不同寻常的“奔火”之旅。

　　“飞行员、通信员、研究员”无缝切换

　　首次火星探测任务探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍，火星环绕器设计寿命3年，采用“外部六面柱体+中心承力锥筒”构型，满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。火星环绕器携带着陆巡视器，主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务，为火星车提供3个月的中继支持服务，通过携带的高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达等有效载荷对火星开展约一个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。

　　环绕器具备三大功能：飞行器、通信器和探测器。约七个月的飞行过程中，环绕器首先要当飞行员，把着陆巡视器送至火星着陆轨道；待成功释放着陆巡视器后，环绕器变成通信员，为着陆器建立与地球之间中继通信链路；通信工作结束后，环绕器再度变身为研究员，作为科学探测器对火星进行遥感探测。

　　环绕器不仅任务繁重，其难度也是空前的——

　　飞行时间长：此次地火飞行路径超过4亿公里，在漫长的7个月里任何一个环节出问题，都将前功尽弃。

　　面临环境差：由于器地距离远，导致通信时延大，当地球与探测器相距最远时，单向通信延时将达到22分钟，一来一回通信延迟44分钟；同时，因为空间信号衰减，环绕器接收到的信号非常微弱，环绕器要克服巨大的信号衰减、传输时延和外界干扰等因素。

　　控制要求高：环绕器需要具备很强的自主姿态控制能力才能确保探测器的安全。同时由于我国对火星空间和行星际空间的复杂环境还很陌生，很多步骤只能依靠自主判断来完成，挑战很大。

　　空间动作繁：环绕器不仅在不同阶段扮演不同角色，在扮演同一角色时还要同步完成多项操作，动作复杂意味着更多的不确定性。

　　关键“一刹”捕获火星

　　环绕器此次任务涉及五个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测。

　　地火转移段：环绕器需要进行4-5次中途修正和一次深空机动修正飞行路径，走过超过4亿公里的路径，才能逐渐飞近火星。

　　火星捕获段：发射约200天后，探测器将被火星捕获，此时距离地球近1.93亿公里，通讯时延约11分钟，只能通过自主管理制动点火进入火星捕获轨道，这一脚“刹车”风险非常高：踩早了，速度降得过低就会坠入大气层撞击火星；踩晚了，就不能被火星引力捕获，从而飞离火星。

　　离轨着陆段：进入捕获轨道后，环绕器将调整至停泊轨道，完成着陆巡视器预选落区的探测和进入点位置调整动作。确认着陆条件满足要求后，将择机降轨释放着陆器，着陆器分离后环绕器再抬轨回到停泊轨道。

　　中继通信段：环绕器将再次进入中继轨道，为地球与着陆器提供为期3个月的中继通信服务，为它们搭建起沟通的桥梁。

　　科学探测段：中继任务结束后，环绕器将再次进行降轨进入科学探测轨道，并利用7种有效载荷，对火星轨道空间、火星表面开展科学探测，获取火星表面图像、地质构造和地形地貌、表层结构、矿物组成和分布、空间磁场环境、近火星空间环境粒子特征及其变化规律。

　　精准制导助力“太空芭蕾”

　　在火星探测任务的所有阶段，上海航天所承担的制导、导航及控制（GNC）分系统都发挥着至关重要的作用。

　　由于火星探测器在地球飞往火星过程中长时间处于无动力飞行，微小位置速度误差会逐渐累计和放大，所以必须在合适的时机进行中途轨道修正，以保证探测器最终能够准确的进入制动捕获的轨道窗口，这就需要GNC分系统完成精确地飞行轨道计算和中途修正控制。

　　火星探测器进入火星引力范围后，需要对探测器进行制动控制，以消除探测器过快的飞行速度。火星探测过程中需要根据发动机参数、制动时间长度、制动控制精度要求等工程目标，选择合适、可靠的制动捕获策略，使探测器能够“一次成功”形成环绕火星飞行状态。

　　为了保证着陆器着陆点的范围要求，探测器通过推力减速，降低至撞击火星轨道后，在预定时刻完成环绕器与着陆器的分离。分离动作完成后，环绕器需要迅速升高轨道以避免真正撞向火星，着陆器则飞往火星表面，完成软着陆后释放巡视器开展火星表面巡视探测，同时环绕器继续留在火星环绕轨道进行火星遥感探测。这一系列太空芭蕾般的动作都依靠GNC分系统的自主、准确、正常地工作。