天問一號到火星了 為何要高難度剎車?

國情動向 06:41 2021/02/11

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天問一號到火星了 為何要高難度剎車?

中國火星任務天問一號經過超過202日飛行,終於到達火星。天問一號2月10日(周三)年廿九,成功實施「近火制動」剎車,進入火星軌道。近火制動操作只有一次機會,時機和力度都必須非常精準,分秒不差,這樣天問一號方能進入火星軌道。即使中國嫦娥探月任務已實施過多次近月制動,但今次近火制動還是要難得多。

天問一號周三晚發動機點火15分鐘,成功按計劃被火星引力捕獲,進入火星橢圓軌道,探測器上各種儀器狀態良好,準備開展工作。天問一號上周末已傳回首幅火星影像,照片在距離火星約220萬公里處拍攝。照片中火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑,以及火星最長峽谷水手谷等地標清晰可見。

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天問一號去年7月23日發射升空,至今飛行超過4.75億公里,距離地球1.92億公里,但飛往火星只算容易的部分。天問一號要對火星環繞、降落和巡視,這「繞、落、巡」三步環環相扣,第一步「繞」就必須首先剎車。

如果地球與火星之間是一條高速公路,那麼天問一號接近目的地火星時,就需要拐彎駛離高速公路,那就必須首先減低速度方能順利入彎。天問一號前往火星途中的速度,要比環繞火星飛行的速度快得多,接近火星時還會因為火星引力愈來愈快,探測器如果不減速就會無法進入火星軌道,一直飛向深空回不了頭。

「近火制動」顧名思義就是接近火星時的減速(制動)工作。天問一號近火制動時,會先調整飛行姿態,將發動機噴管朝向前方,等時機恰當時點火開機,以此降低探測器的速度。

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減速太少會飛走 減速太多會墜毀

航天器剎車減速並不像車輛般簡單。航天器上的燃料非常有限,無法隨時隨意變換速度,除了剎車力度不夠會飛離火星,剎車力度過猛的話還會無力環繞火星飛行而撞向火星。

中國航天科工集團二院研究員楊宇光指出,近火制動有一定風險,操作只有一次機會,時機、時長、力度等都必須十分精準。探測器也不是在某一個點把速度降到多少,而是在一個飛行弧段內持續減速,制動點火的時間需要精密計算和精準控制。如果制動時間過長導致制動力度過大,探測器也會面臨墜毀的風險。

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地球上無法控制 天問必須靠自己

中國嫦娥一號到五號探月任務,探測器均順利完成近月制動,有豐富經驗。不過,天問一號的近火制動要難得多。

最顯著的區別源自距離。地球與月球之間的平均距離大約38.44萬公里,通信延時不過約1秒。天問一號實施近火制動時,地球與火星的距離超過1.8億公里,單向通信延時達到10分鐘以上。因此地球上無法實時監視和控制,整個過程必須由探測器自主完成,這對探測器要求很高。

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而且,天問一號重逾5噸,遠遠重過嫦娥探測器,甚至在世界各國行星探測器中也居首位,制動需要運用更大能量。但天問一號配備的發動機動力僅為3000牛,而3.78噸重的嫦娥四號卻配了7500牛發動機。

楊宇光表示,嫦娥四號的發動機要兼顧近月制動和月面著陸使用,因而需要較大推力。對於天問一號來說,3000牛發動機確實偏小,但這是權衡各方利弊之後的選擇,因為發動機推力越大,體積和質量就越大,令整項火星遠距離任務更艱難。故天問一號發動機適合盡量小,情願把更多重量和空間留給載荷。

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責任編輯:連兆鋒

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