時(shí)隔202天，跨越近5億公里，2021年2月10日晚，奔赴火星的“天問一號(hào)”探測(cè)器開始制動(dòng)工作約15分鐘后，成功進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400公里、周期約10個(gè)地球日、傾角約10°的環(huán)繞火星大橢圓軌道。
這標(biāo)志著我國(guó)“天問一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)取得初步成功，可謂經(jīng)受住了“奔火”大考的初步考驗(yàn)，也開啟了迎接“環(huán)火”大考的新征程。今天，讓我們一起追蹤它的身影——
超高難度，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”一攬子計(jì)劃
火星，是人類最想了解的地球鄰居之一。人類很早就開啟了火星探測(cè)歷程。1960年10月到1964年11月，蘇聯(lián)和美國(guó)連續(xù)6次探測(cè)失敗。人類首顆抵達(dá)火星的探測(cè)器是美國(guó)研制的“水手四號(hào)”。
迄今為止，人類航天探索火星已達(dá)60余年，主要包括四大任務(wù)類型：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，近距離接觸火星的時(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：即環(huán)繞器通過制動(dòng)減速進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。這能長(zhǎng)期環(huán)繞火星進(jìn)行觀測(cè)，幫助人類了解火星的磁場(chǎng)、大氣、重力場(chǎng)、地物地貌、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：即直達(dá)火星表面，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)繞器所做不到的。然而，無法自由移動(dòng)始終是探測(cè)器的一個(gè)“硬傷”。因?yàn)樾》秶芯恐憛^(qū)域，能獲得的科研成果太有限。
巡視：即由火星車來完成巡視任務(wù)?；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。除非有額外的著陸系統(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。
考慮到不同任務(wù)的執(zhí)行難度，一般情況下，研究人員都會(huì)選擇分開執(zhí)行環(huán)繞、著陸、巡視任務(wù)。即便這樣，失敗的嘗試也不在少數(shù)。
據(jù)悉，此次“天問一號(hào)”可接續(xù)完成環(huán)繞、著陸、巡視3項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”的一攬子計(jì)劃。
其困難程度不言而喻。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。有關(guān)科研人員說，“天問一號(hào)”是人類探測(cè)火星工程技術(shù)復(fù)雜度最高的任務(wù)之一。
失之毫厘，謬以千里，整體入軌成最佳方案
執(zhí)行第一大任務(wù)的環(huán)繞器，集中了整個(gè)探測(cè)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，才能確保“天問一號(hào)”始終飛行在理想軌跡上，最終和火星如期相遇。
與火星成功“相遇”，指的是沖進(jìn)火星的引力影響范圍。太陽(yáng)占據(jù)了太陽(yáng)系總質(zhì)量的99%以上，是太陽(yáng)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100萬公里，至少在內(nèi)部1/3的位置，探測(cè)器才能長(zhǎng)期穩(wěn)定環(huán)繞軌道。當(dāng)然，實(shí)際情況下，探測(cè)器需要達(dá)到更近的距離，它需要沖到距離火星表面僅有幾百公里的位置開始制動(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)”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公里/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(yáng)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)繞器要求將大幅降低。這也是蘇聯(lián)的“火星2號(hào)”“火星3號(hào)”，還有歐洲的火星快車和“小獵犬2號(hào)”、微量氣體探測(cè)器和“斯基亞帕雷利”號(hào)曾經(jīng)采取的方案。
但這種方案也存在很大的不足——容錯(cuò)空間極小。
我國(guó)對(duì)火星的認(rèn)知還不多，對(duì)火星著陸區(qū)域尚無實(shí)地勘察，且沒有穩(wěn)定運(yùn)行在火星上空的環(huán)繞器作信號(hào)中繼服務(wù)。另一方面，火星大氣稀薄、地形復(fù)雜，整個(gè)著陸過程僅有約7分鐘時(shí)間。但目前，地球、火星間約1.9億公里的雙向通信有長(zhǎng)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(cè)器將完全失去地面測(cè)控支持。此方案就好比在“刀尖上起舞”，存在很大風(fēng)險(xiǎn)。上述提到的蘇聯(lián)及歐洲的幾個(gè)任務(wù)中，除了“火星3號(hào)”著陸器成功著陸、工作了十幾秒鐘外，其余著陸器均以失敗告終。
為將后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)降至最小，“天問一號(hào)”采取了探測(cè)器整體進(jìn)入環(huán)繞火星軌道的方案。這樣，雖然會(huì)給環(huán)繞器帶來不小的工作壓力，但留給著陸器和巡視器自由選擇著陸窗口的空間更大，完成后續(xù)任務(wù)將從容很多。
入軌待機(jī)：用最少的燃料，派最大的用場(chǎng)
“天問一號(hào)”成功進(jìn)入的是一個(gè)超大環(huán)火橢圓軌道，拋棄了理論上最理想的環(huán)繞火星方式，這是為何呢？
所謂的“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，能相對(duì)火星保持穩(wěn)定距離，最大限度覆蓋對(duì)火星的觀測(cè)范圍，獲得理想的科研結(jié)果。
然而，火星引力約為地球引力的38%，探測(cè)器在它附近進(jìn)行機(jī)動(dòng)操作，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)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(cè)器和運(yùn)載火箭的能力。
要知道，火星探測(cè)器的推進(jìn)劑是無比寶貴的。對(duì)于“天問一號(hào)”而言，每一滴推進(jìn)劑都是被長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射后，又獨(dú)立深空飛行近7個(gè)月才送抵火星附近的成果。環(huán)繞器還需攜帶沉重的著陸器和巡視器整體制動(dòng)減速，推進(jìn)劑消耗量進(jìn)一步增加。而且，按照后續(xù)任務(wù)規(guī)劃，環(huán)繞器需要長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)繞器總工作時(shí)間，對(duì)于“天問一號(hào)”工程和科學(xué)產(chǎn)出有著重大意義。
因此，“天問一號(hào)”整體在近火點(diǎn)附近減速，首先進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400公里、周期約10個(gè)地球日、傾角約10o的環(huán)繞火星大橢圓軌道。據(jù)有關(guān)科研人員介紹，隨后的2個(gè)月內(nèi)，“天問一號(hào)”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)萬公里高。
“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(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)。
據(jù)悉，進(jìn)入環(huán)繞火星大橢圓軌道的未來2～3個(gè)月內(nèi)，“天問一號(hào)”上的環(huán)繞器會(huì)開啟7個(gè)科研有效載荷，細(xì)致勘察待選火星著陸地點(diǎn)，與地面實(shí)時(shí)溝通相關(guān)信息，逐漸調(diào)整軌道到最佳著陸窗口。等窗口來臨之時(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)挑戰(zhàn)最大、也最為高光的“著陸七分鐘”時(shí)刻。
火星探索的征途，無疑是披荊斬棘之路，入軌只是一次“大考”?；鹦翘綔y(cè)過程中，“天問一號(hào)”還要經(jīng)歷多重考驗(yàn)，讓我們共同期待它后續(xù)的精彩表演吧！