[科普中國]-為什么天問一號(hào)必須進(jìn)入環(huán)繞火星大橢圓軌道？

時(shí)隔202天，跨越近5億千米，2021年2月10日晚間，天問一號(hào)制動(dòng)工作約15分鐘后，探測器成功進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、周期約10個(gè)地球日、傾角約10o的環(huán)繞火星的大橢圓軌道！這標(biāo)志著天問一號(hào)火星探測任務(wù)取得了初步成功，也開啟了星辰征途的下一步。

圖片來源：中國探月工程

這次入軌可謂是一次奔火“大考”，整體入軌、超大橢圓軌道……為到火星，天問一號(hào)究竟有多努力？

超高難度“繞落巡”一步到位

火星，是人類最想了解的地球鄰居之一，在掌握航天技術(shù)后的第一時(shí)間，人類就開啟了火星探測歷程。1960年10月到1964年11月，蘇美經(jīng)過了6次連續(xù)失敗嘗試后，美國終于成功發(fā)射了人類首顆成功抵達(dá)火星的探測器“水手四號(hào)”。

人類探索火星60年，主要包括四大任務(wù)類型，天問一號(hào)的任務(wù)是復(fù)雜度最高的一次。

人類目前有四種火星探測任務(wù)示意圖（圖片來源：作者繪制）

四大火星探索任務(wù)類型主要包括飛掠、環(huán)繞、著陸和巡視。

**飛掠：就如“驚鴻一瞥”，飛行器只能在火星遠(yuǎn)處飛掠而過，近距離接觸火星時(shí)間極其有限。**這是人類航天技術(shù)尚不成熟時(shí)的無奈之舉，僅在早期沒有能力制動(dòng)進(jìn)入環(huán)火軌道時(shí)使用，如今已經(jīng)沒有專門針對(duì)火星進(jìn)行的飛掠任務(wù)了。

**環(huán)繞：環(huán)繞器通過制動(dòng)減速進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。**能長期環(huán)繞火星進(jìn)行觀測，幫助人類了解火星的磁場、大氣、重力場、地形地貌、淺層地表等綜合情況。此外，它們還能為降落到火星表面的著陸器和巡視器提供信號(hào)中繼服務(wù)，成為連接地球和火星的“宇宙燈塔”。

**著陸：直達(dá)火星表面，去詳細(xì)研究火星表面情況，**尤其是底層大氣情況、氣象條件和淺層土壤構(gòu)成等，這都是“登高望遠(yuǎn)”的環(huán)繞器做不到的。然而，無法自由移動(dòng)始終是一個(gè)的硬傷，因?yàn)檠芯啃》秶闹憛^(qū)域所能獲得的科研成果太有限。

**巡視：巡視任務(wù)需要依賴火星車來完成?；鹦擒嚁y帶多種復(fù)雜科學(xué)儀器，能在火星自由巡視。**但它無法自主著陸火星，且受限于能量和天線尺寸問題，除非依賴額外的著陸系統(tǒng)和信號(hào)中繼系統(tǒng)輔助，否則幾乎不可能與地球直接通信。

著陸器和巡視器要在3個(gè)月左右才會(huì)執(zhí)行火星著陸任務(wù)（圖片來源：國家航天局）

考慮到不同任務(wù)的執(zhí)行難度，一般情況下，都會(huì)選擇分開執(zhí)行環(huán)繞著陸、巡視任務(wù)。即使這樣，失敗的嘗試也不在少數(shù)。

而天問一號(hào)，將一次同時(shí)實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞”、“著陸”和“巡視”3項(xiàng)任務(wù)，“繞落巡”一步到位！

困難程度不言而喻。且巡視器重達(dá)240千克，著陸器不僅服務(wù)著陸過程，還要有一定裝載傳感器和通信設(shè)備的空間，可以說天問一號(hào)是人類探測火星工程技術(shù)復(fù)雜度之最。

面對(duì)高難度，強(qiáng)載重的挑戰(zhàn)，天問一號(hào)如何成功完成了第一大任務(wù)——“繞”？

失毫厘謬千里，整體入軌是最佳方案

執(zhí)行第一大任務(wù)的環(huán)繞器集中了整個(gè)探測器的推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等核心系統(tǒng)，是整個(gè)任務(wù)成敗的關(guān)鍵。只有連續(xù)進(jìn)行1次深空機(jī)動(dòng)和4次軌道修正，才能保證天問一號(hào)始終飛行在理想的軌跡上，最終和火星如期相遇。

2020年10月1日天問一號(hào)分離測量傳感器完成的“自拍”（圖片來源：國家航天局）

**與火星成功相遇，指的是沖進(jìn)火星的引力影響范圍。**太陽占據(jù)了太陽系總質(zhì)量的99%以上，是太陽系內(nèi)的引力中心，它會(huì)把火星等行星的引力影響范圍約束在一個(gè)定義為“希爾球”的空間內(nèi)。

理論上，火星的希爾球半徑約為100萬千米，至少在內(nèi)部三分之一的位置，探測器才能長期穩(wěn)定環(huán)繞軌道。也就是說，天問一號(hào)至少要沖進(jìn)這個(gè)范圍。當(dāng)然，實(shí)際情況下需要達(dá)到更近的距離，它需要沖到距離火星表面僅有幾百千米的位置開始制動(dòng)。

進(jìn)入火星引力影響范圍只是開始。如果以火星為參照，天問一號(hào)的相對(duì)速度會(huì)超過從火星表面永遠(yuǎn)逃離的逃逸速度（約5千米/秒）。如果不制動(dòng)減速，天問一號(hào)只能完成對(duì)火星的 “驚鴻一瞥”，隨即在火星引力作用下改變軌道，飛入更遠(yuǎn)的太空，最終被太陽引力重新拉回，成為一顆人造“小行星”，與火星和地球再無交集。由此可見，最佳入軌方案的選擇是遠(yuǎn)征火星的重中之重！

從具體工程實(shí)踐角度看，著陸器和巡視器的目標(biāo)并非環(huán)繞火星，它們完全可以不跟隨環(huán)繞器而直接降落火星。理論上，在近火星上空，天問一號(hào)的著陸器攜帶巡視器立即分離，環(huán)繞器可以單獨(dú)進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，這樣對(duì)環(huán)繞器的要求將大幅降低。這也是蘇聯(lián)火星2號(hào)/3號(hào)，歐洲火星快車/小獵犬2號(hào)、微量氣體探測器/斯基亞帕雷利號(hào)曾經(jīng)采取的方案。

但是這種方案有個(gè)很大的不足：容錯(cuò)空間極小。

中國對(duì)火星的認(rèn)知還很少，火星著陸區(qū)域尚無實(shí)地勘查，且沒有已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行在火星上空的環(huán)繞器做信號(hào)中繼服務(wù)。另一方面，火星大氣稀薄，地形地貌復(fù)雜，整個(gè)著陸過程僅有約7分鐘的時(shí)間，但目前地球、火星間約1.9億千米的雙向通信有長達(dá)21分鐘左右的時(shí)延，**這意味著整個(gè)分離著陸過程探測器將完全失去地面測控支持。**這一方案就像“刀尖上起舞”，存在很大風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，上述提到的幾個(gè)任務(wù)中，除了火星3號(hào)的著陸器成功著陸，工作了十幾秒之外，其余著陸器均以失敗告終。

維京一號(hào)和二號(hào)都采取了整體進(jìn)入環(huán)繞火星軌道、后續(xù)擇機(jī)著陸的方案（圖片來源：NASA）

**為將后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)降至最小，天問一號(hào)采取了環(huán)繞器攜帶整體進(jìn)入環(huán)繞火星軌道的方案。**這樣雖然會(huì)給環(huán)繞器帶來更大的工作壓力，但留給著陸器和巡視器自由選擇著陸窗口的空間更大，后續(xù)任務(wù)將從容很多。

20世紀(jì)最著名的維京一號(hào)和維京二號(hào)探測器就采取的這種方案，它們抵達(dá)火星后整體進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，在一個(gè)多月后著陸器才擇機(jī)分離、著陸火星，造就了一個(gè)時(shí)代的火星探測傳奇。

進(jìn)入超大環(huán)繞火星橢圓軌道等待著陸時(shí)機(jī)/備選：出最少的力，達(dá)成最優(yōu)的效果

天問一號(hào)成功進(jìn)入的是一個(gè)超大的環(huán)火橢圓軌道，拋棄了最理想的環(huán)繞火星方式，這又是為何呢？

先說最理想的環(huán)繞火星方式，**其實(shí)就是保持近圓極地軌道，這樣能夠相對(duì)火星保持穩(wěn)定的距離，最大限度覆蓋對(duì)火星的觀測范圍，獲得理想的科研結(jié)果。**然而，火星雖小，但依然不容忽視，火星引力約為地球引力的38%，探測器在它附近進(jìn)行機(jī)動(dòng)操作受仍會(huì)受到較大影響。直接制動(dòng)切入環(huán)繞火星的圓軌道對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)要求極高，往往需要消耗掉巨量的推進(jìn)劑，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過探測器和運(yùn)載火箭的能力。

在二月初距離火星約220萬千米時(shí)，天問一號(hào)已經(jīng)拍下了火星的美圖（圖片來源：國家航天局）

要知道，火星探測器的推進(jìn)劑都是無比寶貴的。對(duì)于天問一號(hào)而言，每一滴推進(jìn)劑，都是重達(dá)870噸的長征五號(hào)火箭深空飛行近7個(gè)月才送抵火星的成果。環(huán)繞器還需要攜帶沉重的著陸器和巡視器整體制動(dòng)減速，推進(jìn)劑的消耗量進(jìn)一步上升。而且按照后續(xù)的任務(wù)規(guī)劃，環(huán)繞器需要長期在火星上空工作，并定期進(jìn)行軌道維持。最大限度節(jié)省推進(jìn)劑，延長環(huán)繞器的總工作時(shí)間，對(duì)于天問一號(hào)的工程和科學(xué)產(chǎn)出有著重大意義。

**因此，天問一號(hào)會(huì)整體在近火點(diǎn)附近減速，首先進(jìn)入近火點(diǎn)約400千米、周期約10個(gè)地球日、傾角約10o的環(huán)繞火星大橢圓軌道。**在隨后的2個(gè)月內(nèi)，它還會(huì)在遠(yuǎn)火點(diǎn)啟動(dòng)，推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)整軌道傾角和軌道形狀，并在近火點(diǎn)多次工作將遠(yuǎn)火點(diǎn)降低到數(shù)萬千米高。

近火點(diǎn)制動(dòng)減速，遠(yuǎn)火點(diǎn)調(diào)整軌道傾角，這樣的軌道設(shè)計(jì)是基于探測任務(wù)工程復(fù)雜度和推進(jìn)系統(tǒng)能力的綜合考量，**能最大限度節(jié)約推進(jìn)劑、確保環(huán)繞器的長久工作狀態(tài)，**維京系列任務(wù)曾經(jīng)的軌道設(shè)計(jì)方案也是這個(gè)思路。

對(duì)于單獨(dú)的環(huán)繞器任務(wù)而言，也可以利用火星稀薄大氣進(jìn)行空氣剎車以節(jié)約推進(jìn)劑，不過這一方面需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，歷史上也出現(xiàn)過不小心焚毀在火星大氣的案例（1998年發(fā)射的火星氣候探測器），另一方面空氣剎車往往持續(xù)數(shù)月到數(shù)年，并不適合本次任務(wù)就不再贅述。

共同期待高光時(shí)刻

在未來的2-3個(gè)月內(nèi)，環(huán)繞器會(huì)開啟7個(gè)科研有效載荷，認(rèn)真勘察待選火星著陸地點(diǎn)，與地面時(shí)刻溝通相關(guān)信息，逐漸調(diào)整軌道到最佳著陸窗口。等到窗口來臨之時(shí)，著陸器和巡視器的結(jié)合體將立刻分離，沖進(jìn)火星大氣，正式開啟天問一號(hào)任務(wù)周期內(nèi)最大挑戰(zhàn)、也最為高光的“恐怖七分鐘”時(shí)刻。

天問一號(hào)巡視器即將駛到火星表面藝術(shù)效果圖（圖片來源：國家航天局）

火星探索的征途，無疑是披荊斬棘之路，入軌只是一次“大考”。火星探測的路上，天問一號(hào)還要經(jīng)歷多次考驗(yàn)，讓我們共同期待它后續(xù)的高光時(shí)刻！