近期，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器實(shí)施三次“踩剎車”，成功被火星捕獲，并進(jìn)入停泊軌道。探測(cè)器“剎車”“停泊”都是為了什么？

撰文/記者 李鵬 編輯/丁林

新媒體編輯/房永珍

采訪專家

鄭永春（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員）

龐之浩（全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）

2月10日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器實(shí)施近火捕獲制動(dòng)“踩剎車”，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)。

同時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”將對(duì)預(yù)選著陸區(qū)地形地貌、沙塵天氣等進(jìn)行詳查，為擇機(jī)著陸火星做好準(zhǔn)備。“天問(wèn)一號(hào)”計(jì)劃于今年5~6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開(kāi)展巡視探測(cè)。

如何在距離地球萬(wàn)里之遙的茫茫太空，打好“漂移”、踩好“剎車”？這其中大有學(xué)問(wèn)。

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航天器在入軌時(shí)“踩剎車”有多重要？

“天問(wèn)一號(hào)”在到達(dá)火星附近時(shí)，其相對(duì)速度遠(yuǎn)超火星表面的逃逸速度（約5千米/秒），如果不制動(dòng)減速，“天問(wèn)一號(hào)”只能完成對(duì)火星的“驚鴻一瞥”，隨即飛入更遠(yuǎn)的太空，最終被太陽(yáng)引力重新拉回，成為一顆人造“小行星”。

對(duì)于以高速度向火星靠近的探測(cè)器來(lái)說(shuō)，要想被火星引力所捕獲，就必須在“捕獲窗口”對(duì)應(yīng)的軌道弧段，精準(zhǔn)、自主可靠地完成制動(dòng)減速。

如果“踩剎車”淺了或者晚了，“天問(wèn)一號(hào)”就會(huì)與火星擦肩而過(guò)；如果“踩”得早或者重了，“天問(wèn)一號(hào)”就會(huì)撞向火星墜毀。

最早探測(cè)火星的時(shí)候，由于沒(méi)有掌握“踩剎車”的技術(shù)，各國(guó)采用了“掠”過(guò)火星的方式來(lái)探測(cè)火星，后來(lái)技術(shù)成熟了，就不再采用這樣的方式了。

“踩剎車”是中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。由于火星距離遙遠(yuǎn)，信息傳輸存在延時(shí)問(wèn)題，“踩剎車”的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和操作時(shí)限都是提前計(jì)算好的，在這個(gè)范圍內(nèi)，探測(cè)器必須完全依靠自身完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)，克服發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方向和點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)的精確控制。幸而，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器完全靠自己，在10分鐘內(nèi)將速度從28千米/秒降低至約1千米/秒，成功被火星捕獲。

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為何選擇大橢圓軌道來(lái)環(huán)繞火星？

航天器環(huán)繞火星，最為理想的方式就是近圓軌道。圓形的軌道能夠讓探測(cè)器相對(duì)火星保持穩(wěn)定的距離，最大限度地覆蓋對(duì)火星的觀測(cè)范圍，獲得理想的科研結(jié)果。但是，“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)入火星時(shí)選擇的，是一個(gè)超大的環(huán)火橢圓軌道。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)之所以如此選擇，是為了讓我國(guó)的首次火星探測(cè)更加可靠。盡管火星引力只有地球引力的38%左右，但是依舊不容忽視。探測(cè)器如果直接制動(dòng)切入環(huán)繞火星的近圓軌道，對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)要求極高，且需要消耗掉大量的推進(jìn)劑。為了一次性達(dá)到繞、落、巡的目標(biāo)，“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器攜帶著沉重的著陸器和巡視器。如果整體制動(dòng)減速，推進(jìn)劑的消耗量還會(huì)進(jìn)一步上升。

此外，按照后續(xù)的任務(wù)規(guī)劃，環(huán)繞器還需要長(zhǎng)期在火星上空工作，并定期進(jìn)行軌道維持。因此最大限度地節(jié)省推進(jìn)劑，可以延長(zhǎng)環(huán)繞器的總工作時(shí)間。所以“天問(wèn)一號(hào)”選擇了首先進(jìn)入近火點(diǎn)約400千米、周期約10個(gè)地球日、傾角約為10°的環(huán)繞火星大橢圓軌道。

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為什么選擇在近火點(diǎn)制動(dòng)、遠(yuǎn)火點(diǎn)變軌？

在未來(lái)的2個(gè)月內(nèi)，“天問(wèn)一號(hào)”將會(huì)繼續(xù)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)多次制動(dòng)減速。為何會(huì)有這樣的安排呢？

地球等行星在近日點(diǎn)速度快，遠(yuǎn)日點(diǎn)速度慢。這樣的規(guī)則同樣適用于火星軌道上的航天器——探測(cè)器在近火點(diǎn)的速度更快，遠(yuǎn)火點(diǎn)速度更慢。

其實(shí)，近火點(diǎn)減速制動(dòng)、遠(yuǎn)火點(diǎn)變軌的軌道設(shè)計(jì)是基于探測(cè)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(zhǎng)久工作狀態(tài)。

在近火點(diǎn)減速制動(dòng)，可以讓“天問(wèn)一號(hào)”相對(duì)火星的速度小于火星逃逸速度，從而被引力捕獲。多次近火點(diǎn)減速，就可以將“天問(wèn)一號(hào)”的運(yùn)行軌道逐步由大橢圓變成小橢圓。

遠(yuǎn)火點(diǎn)航天器受到的引力要更小一些，因此適合進(jìn)行大的機(jī)動(dòng)（改變探測(cè)器當(dāng)前軌道，使其進(jìn)入一條新的軌道而進(jìn)行的軌道控制稱作“機(jī)動(dòng)”）。譬如，將運(yùn)行軌道由繞赤道飛行的橫軌道變成繞南北兩極飛行豎軌道的“側(cè)手翻”機(jī)動(dòng)，在遠(yuǎn)火點(diǎn)就要容易得多。

計(jì)算表明，在400千米高度近火點(diǎn)，“天問(wèn)一號(hào)”的速度是18萬(wàn)千米高度遠(yuǎn)火點(diǎn)速度的48倍左右，因此在遠(yuǎn)火點(diǎn)進(jìn)行變軌也更加“經(jīng)濟(jì)實(shí)惠”，可以有效減少推進(jìn)劑的消耗。

進(jìn)行“天問(wèn)一號(hào)”的制動(dòng)減速，理論上也可利用火星稀薄大氣進(jìn)行“空氣剎車”，這樣的好處是可以節(jié)約推進(jìn)劑，不過(guò)這種減速方案需要豐富的經(jīng)驗(yàn)積累（歷史上出現(xiàn)過(guò)探測(cè)器不小心焚毀在火星大氣的案例，比如美國(guó)1998年發(fā)射的火星氣候探測(cè)器就是如此）；另一方面，空氣剎車往往持續(xù)數(shù)月到數(shù)年，這種操作需要的時(shí)間更長(zhǎng)，“天問(wèn)一號(hào)”因?yàn)檫€有落和巡的任務(wù)，就更不適合采用了。

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為什么要進(jìn)入“停泊軌道”？

2月15日，“天問(wèn)一號(hào)”成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)的平面機(jī)動(dòng)：3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作以后，“天問(wèn)一號(hào)”實(shí)現(xiàn)“側(cè)手翻”，將軌道調(diào)整為經(jīng)過(guò)火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約265千米，以便拍攝火星兩極，從而完成對(duì)火星全球的遙感成像任務(wù)。接下來(lái)，“天問(wèn)一號(hào)”通過(guò)數(shù)次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道。

（圖片來(lái)源：央視新聞）

停泊軌道是指航天器為了轉(zhuǎn)移到另一條軌道而暫時(shí)停留的橢圓（圓）軌道，又稱駐留軌道。例如，地球停泊軌道是發(fā)射月球探測(cè)器、登月載人飛船、空間探測(cè)器和離地球較遠(yuǎn)的人造地球衛(wèi)星（如靜止衛(wèi)星）的一個(gè)階段，用于選擇進(jìn)入過(guò)渡軌道的入軌點(diǎn)，以彌補(bǔ)地面發(fā)射場(chǎng)地理位置固定的缺點(diǎn)，滿足過(guò)渡軌道的要求。月球和火星等的停泊軌道，則是選擇進(jìn)入軌道的起點(diǎn)，以保證航天器降落在天體表面的指定地區(qū)。

探測(cè)器在太空實(shí)施探測(cè)是否安排停泊軌道，主要是根據(jù)具體任務(wù)需要，以及可靠性的保證?！疤靻?wèn)一號(hào)”準(zhǔn)備一次性實(shí)現(xiàn)多重任務(wù)目標(biāo)，難度和挑戰(zhàn)都比較大，因此安排停泊軌道將會(huì)為其轉(zhuǎn)移到進(jìn)入軌道之前提供最后全面檢查航天器各系統(tǒng)可靠性的機(jī)會(huì)，以保證“天問(wèn)一號(hào)” 的著陸器和巡視器最后盡量準(zhǔn)確地著陸在火星上的預(yù)選區(qū)域。

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“天問(wèn)一號(hào)”著陸為何要再等3個(gè)月？

“天問(wèn)一號(hào)”在去年7月23日發(fā)射升空，比美國(guó)的“毅力”號(hào)火星探測(cè)器早出發(fā)了一個(gè)星期。但是“毅力”號(hào)今年2月19日到達(dá)火星后就完成了著陸，比“天問(wèn)一號(hào)”提前了3個(gè)月。為何“天問(wèn)一號(hào)”著陸要等這么久？

美國(guó)是截至目前探測(cè)火星最多的國(guó)家，已經(jīng)積累了成熟的技術(shù)、豐富的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)資料?！耙懔Α碧?hào)是美國(guó)送往火星的第五輛火星車，可以說(shuō)是“輕車熟路”，抵達(dá)火星以后直接實(shí)施登陸也不奇怪。

△“毅力”號(hào)在火星表面著陸

其實(shí)，從具體工程實(shí)踐角度看，“天問(wèn)一號(hào)”的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。如果這樣，對(duì)環(huán)繞器的要求也將大幅降低。

但著陸火星是一個(gè)非常艱難的過(guò)程。1960年10月到1964年11月，蘇美兩國(guó)經(jīng)過(guò)了6次連續(xù)失敗的嘗試后，美國(guó)探測(cè)器“水手四號(hào)”才成為首顆成功抵達(dá)火星的航天器，因此，“天問(wèn)一號(hào)”在著陸前做最為穩(wěn)妥的準(zhǔn)備，是很有必要的。

“天問(wèn)一號(hào)”選擇合適的著陸地點(diǎn)，就要獲得相應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)，這些都需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)繞火星探測(cè)予以解決。盡管根據(jù)美國(guó)、蘇聯(lián)、歐空局的一些信息資料，中國(guó)已經(jīng)掌握了很多關(guān)于火星的信息，但還是缺乏一些關(guān)鍵性的第一手資料。為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，中國(guó)需要先前在“繞”的階段獲得更多的樣本資料和數(shù)據(jù)，而這些材料是成功實(shí)現(xiàn)火星著陸的重要保證。

在未來(lái)的2-3個(gè)月內(nèi)，“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器攜帶的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測(cè)儀等載荷，可以對(duì)火星開(kāi)展多維度探測(cè)，為接下來(lái)的著陸提供充分的支持。

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出品：科普中央廚房

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