2月10日，在歷經(jīng)近7個月的太空航行后，由航天科技（000901）集團研制的我國首個火星探測器天問一號成功實施捕獲制動，精準進入環(huán)火軌道，正式開啟了環(huán)繞火星階段的探測任務。

　　制動捕獲，簡單來說就是通過發(fā)動機推力減速控制，來降低探測器的速度，使其能夠被目標星體的引力所捕獲，這一動作也被形象地稱為“踩剎車”。但到底如何踩剎車？面對這一工程問題，八院火星探測GNC團隊不僅做到了精準“剎車”，更實現(xiàn)了全過程由探測器自主完成這一高難度動作，交出了一份高分答卷。

　　讓探測器實現(xiàn)全自動“剎車”

　　對于以每秒 28公里高速靠近火星的探測器來說，要想被火星引力捕獲，必須在“捕獲窗口”對應的軌道弧段，精準、自主可靠完成“剎車”。理論上，給探測器一個反向推力，即可把它的速度降下來。但在工程實現(xiàn)過程中，仍會遇到不少問題。

　　火星探測器配置了1臺3000牛的軌道控制發(fā)動機，進行引力捕獲時的制動減速控制。火星引力捕獲窗口有限，要求探測器在10分鐘內將速度降低到約每秒1公里。

　　與常規(guī)衛(wèi)星可以由地面實時操控不同，制動捕獲過程中，探測器距離地球1.92億公里，地球與探測器之間數(shù)據(jù)通信的單向時間延遲超過10分鐘，探測器必須完全依靠自身完成發(fā)動機點火和關機，克服發(fā)動機點火期間的擾動，實現(xiàn)點火方向和點火時長的精確控制。

　　“在失去地面實時測控的環(huán)境下，要通過方案設計，充分考慮發(fā)動機推力存在偏差、探測器質心不斷變化等情況，全自主執(zhí)行精確軌道控制；再通過多因素組合的測試和仿真分析，讓控制方案更加健壯可靠?！杯h(huán)繞器副總設計師朱慶華說道。

　　團隊研究了目前國際上所有的火星探測器，并對國外的案例進行深入剖析。 “我們對火星探測全過程反復推演，可以說已經(jīng)將能想到的所有可能情況都考慮了進去，并通過各種可能事件的組合來測試我們的方案和產(chǎn)品?！盙NC系統(tǒng)主任設計師聶欽博說道。

　　0.3%的影響也不能忽視

　　在研制階段一次半物理仿真試驗中，探測器的捕獲制動精度與指標要求有了明顯偏差，這使得研制團隊高度緊張。方案已考慮了探測器燃料消耗引起的質量變化，也考慮了推力方向偏心造成的姿態(tài)干擾等多種可能的因素，為什么精度還是不夠呢？

　　團隊隨即對捕獲制動這一過程再次進行深入分析，終于發(fā)現(xiàn)，制動前的“沉底”時間過長，對捕獲控制的速度增量產(chǎn)生了約0.3%的影響。

　　所謂“沉底”就是在主發(fā)動機推力減速前，先啟動維持探測器姿態(tài)控制的小推力器工作，通過姿態(tài)控制推力器產(chǎn)生的加速度，使燃料集中到貯箱底部，便于主發(fā)動機工作。

　　為此，團隊迅速對這一過程進行精確量化分析，將沉底工作過程的推力減少了一倍，并將沉底過程對速度增量的影響引入到主發(fā)動機關機時機的計算中，通過方案優(yōu)化和進一步仿真驗證，捕獲制動精度有了顯著提升。

　　此外，承擔著指揮控制任務的GNC單元則采用了三模冗余方案。在團隊多輪設計、仿真及驗證工作下，3臺計算機可確?！安秸{一致”并實現(xiàn)“民主表決”，即運算時刻和初始數(shù)據(jù)始終保持一致，進而通過少數(shù)服從多數(shù)原則，確保計算結果準確無誤。

　　為確保我國首次自主火星探測任務最關鍵的這次“剎車”可靠完成，團隊在4年的研制過程中，不斷進行著各參數(shù)的正常范圍、極限拉偏測試，分析測試和試驗中 GNC系統(tǒng)的表現(xiàn)，對異常現(xiàn)象迅速定位并對方案進行優(yōu)化完善。

　　“我們已運用自己的算法對其他火星探測任務進行仿真，仿真結果與國際上公布的數(shù)據(jù)非常吻合。”環(huán)繞器GNC分系統(tǒng)產(chǎn)保師劉宇不無自豪地說。（李柏楊）