反之,如果力道过猛也不行。

杨宇光说,探测器制动捕获有一个原则,轨道越低,发动机越省能量,制动效率也就越高。但对于距离上亿公里的火星,探测器的位置测量和控制都可能出现误差,如果制动点的轨道高度过低,可能导致探测器撞向火星表面。

同时,探测器并不是在某一个点把速度降到多少,而是在一个飞行弧段内持续减速,制动点火的时间需要精密计算和精准控制。如果制动时间过长导致制动力度过大,探测器也会面临坠毁的风险。

“只有刹车时机和时长都分秒不差,才能形成理想的捕获轨道。”庞之浩说。

与“嫦娥”制动有所不同

此前我国已成功实施的历次探月任务中,嫦娥系列探测器均圆满完成了近月制动,积累了丰富经验。不过天问一号面临的近火制动,与“嫦娥姐妹”有所不同。

最显著的区别源自距离。

地球与月球之间的平均距离约为38.44万千米,对于测控通信来说,延时不过约1秒钟。而天问一号实施近火制动时,地球与火星的距离超过1.8亿千米,单向通信延时达到10分钟以上。杨宇光说,这种情况下地面无法对探测器进行实时监控,需要提前上传指令,到时候让探测器自主执行。

理论上,探测器的自主性可以通过设计来实现。例如制动时需要把速度降低多少,可以根据发动机推力计算需要开机的时间,照此控制。但实际上并非如此。

杨宇光说,任务过程中会有很多不确定性,比如发动机推力可能存在细微偏差,飞行器的位置、速度、姿态只能通过测量获得,各种变数使得自主控制的复杂程度大大增加。

因此,自主控制绝非只靠地面准备指令,探测器执行就能完成,而要大量依赖于测量手段。为了确保测量准确,在执行关键动作的飞行器上都有多个传感器,通过多种途径和不同手段,结合地面测量数据,判断测量结果是否精确。在执行指令时,也会通过传感器来反馈执行情况。当遇到意外情况,来不及等待地面处理时,探测器也会自行判断,然后按照预案自行应对。

此外,天问一号重达5吨多,不仅超过“嫦娥”系列探测器,甚至在世界各国行星探测器中也居首位。而它配备的,则是一台3000牛的发动机,会不会有点“小马拉大车”?要知道,3.78吨重的嫦娥四号,主发动机推力可是达到了7500牛。

对此杨宇光表示,嫦娥四号的发动机要兼顾近月制动和月面着陆使用,因而需要较大推力。对于天问一号来说,3000牛发动机确实偏小,但这是权衡各方利弊之后的选择。

杨宇光说,衡量发动机性能最重要的指标是比冲,比冲越高,相同条件下推进剂能产生的速度增量越大。但从另一方面说,比冲越高,发动机的质量越大,或者说,在同样比冲情况下,发动机推力越大,体积和质量就越大。