天问·探路火星｜“上海牌”环绕器：能飞能探测的“多面手”

7月23日，由中国航天科技集团有限公司研制的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，于海南文昌航天发射场成功发射。

环绕器设计寿命３年

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第八研究院（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，在研制过程中攻克火星制动捕获、长期自主管理等关键技术难点，将实现地火间的超远距离测控通信，并将通过环绕探测实现火星全球性、综合性探测，完成火星表面重点地区高精度、高分辨率精细详查。

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。

“多面手”任务多

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，环绕器首先作为飞行器，将着陆巡视器送至火星着陆轨道；待成功释放着陆巡视器后，环绕器作为通信器，为着陆器建立与地球之间中继通信链路；通信工作结束后，环绕器作为科学探测器对火星进行遥感探测。

环绕器具备四大特点：飞行时间长，面临环境差，控制要求高，空间动作繁。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：由于器地通信的时延和长期日凌中断问题，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。

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。

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