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天问一号|即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难

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天问一号|即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难
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我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在经历了近7个月的深空旅行后 ， 即将抵达目的地 。 预计除夕前后 ， “天问一号”将进行近火制动（俗称“刹车”） ， 开启环绕火星之旅 。
投入火星“怀抱”的那一瞬间可以说是“步步惊心”——一旦在此刻与火星擦肩而过 ， 就再也没有机会触摸这颗红色星球了 。 而在精准捕获的背后 ， 凝聚了科学家和工程师们的精确计算与无数心血 。 事实上 ， 从发射起飞的那一刻 ， “天问一号”就已经在为“环火”做准备了 。
探测火星
出发需要卡准窗口
太阳居于太阳系的中心 ， 由内向外 ， 地球排第3位 ， 火星紧随其后 。 地球环绕太阳一周需要约365天 ， 火星则需要约687天 。 这种“不同步”导致地球和火星之间距离时刻在变化 ， 从5500万千米到4亿千米不等 。
从地球视角来看 ， 火星与地球每隔780天（两年两个月）左右才“会合”一次：在780天内 ， 地球绕太阳运行2周49度角时 ， 恰好超过火星1周 ， 二者相距最近（即火星冲日） 。 若以照操场跑步打比方的话 ， 相当于780天后 ， 跑在内道的地球恰好“套”了外道的火星一圈 。
人类航天虽然经历了数十年发展 ， 但运载火箭依然以利用化学能为主 ， 远达不到科幻电影中无视星际旅行距离 “横冲直撞”的设定 。 故而 ， 火星探测器的发射时间要求很苛刻 ， 必须在每次地球与火星 “会合”之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发 ， 瞄准6至11个月之后火星的位置 ， 开启火星探测之旅 ， 这样对火箭运载能力要求最低 。
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▲“天问一号”探测器发射升空 。 新华社发
由于每次地球与火星“会合”的机会带来的理想探测窗口仅在一个月左右 ， 探测任务如果赶不上出发 ， 就要等待26个月后的下一次机会 。 这对于存在设计寿命且有着巨大保管维护成本的探测器而言 ， 代价可能极大 ， 甚至需要重造 。
因此 ， 及时抓住发射窗口 ， 就等于提前“预订”了几个月后的火星引力捕获机会 。 2020年7月23日12时41分 ， 我国首次火星探测任务“天问一号”探测器搭乘长征五号遥四火箭 ， 从文昌航天发射场升空 ， 正式开始了火星之旅 。
飞行途中
精准修正轨道瞄准火星
在实际飞行时 ， “天问一号”采取一种基于“霍曼转移”优化的从地球到火星轨道 ， 它基本上就是一个和地球轨道、火星轨道相切的半椭圆 。
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▲火星探测霍曼转移轨道示意图 。（制图：毛新愿）
理论上 ， 这种方式仅需推进系统在离开地球和火星时两次加速 ， 最为简单和节省能量 。 然而 ， 在抵达火星轨道时 ， 如果航天器没能及时冲进火星引力主导的范围内 ， 就会被太阳巨大的引力重新吸引回来 ， 永远失去探测火星的宝贵机会 。
既然人类无法影响火星 ， 为了保证航天器及时被火星捕获 ， 就必须精准调整其状态 。 因此 ， 在最初规划飞行轨迹时 ， 就要精准计算出航天器与火星相遇的时机 。
然而 ， 这一切并不容易 。 一方面 ， 火箭推力强劲 ， 每级都有数台发动机同时工作 ， 尤其是最后一级发动机要经历多次滑行和点火 ， 每一个步骤都可能带来微小偏差 ， 这些偏差累积起来 ， 会使航天器很难达到最理想的入轨精度 。 另一方面 ， 太阳系内天体众多 ， “天问一号”受到的各种作用力极为复杂 。 由于太阳活动强度和空间天气多变 ， 它几乎不可能完全按照预定轨道飞行 ， 必须进行轨道修正和深空机动 ， 才能让“天问一号”与火星按时相遇 。
如果把“天问一号”飞往火星比做驾车行驶 ， 或许更容易理解 。 “天问一号”有一条规划好的线路 ， 这叫预定轨道 。 但实际情况下 ， 它一定会跑偏一些 ， 所以需要偶尔微调方向盘 ， 让它保持在车道中间 ， 这就是轨道修正 ， 又叫“小修” 。 同时 ， 这条车道也不是完美的直线 ， 当需要拐弯时 ， 航天器就得更大程度打方向盘 ， 这就是深空机动 ， 也叫“大机动” 。
由于长征五号火箭本次入轨精度极高 ， “天问一号”推进系统表现也非常精准 ， 在飞行过程中 ， 仅进行了一次深空机动和四次轨道修正 ， 比预期的次数要少 。 2020年10月1日 ， “天问一号”通过分离测量传感器在深空中自拍 ， 检验自身状态全部工作正常 。 那天正好是国庆节与中秋节难得一见的同期相遇 ， 这张中国历史上最远最强的超级自拍 ， 为祖国人民送上了最好的祝福：鲜艳的五星红旗在太空深处熠熠生辉 。
切入轨道
投入火星引力怀抱
投入火星怀抱 ， 意味着冲进火星的引力影响范围 ， 正如出发时需要逃离地球影响范围一样 。
宇宙中任何一个天体都是引力源 。 理论上 ， 一个天体的引力影响范围是无限的 。 但在实际情况中 ， 两个天体总会互相影响 ， 导致各自拥有一定的引力主导范围 。 太阳占据了太阳系总质量的99%以上 ， 是太阳系内绝对的引力主导 。 它会压缩地球等行星的引力主导范围到一个定义为“希尔球”的空间内 。 例如 ， 地球的希尔球半径约为150万千米 ， 仅相当于地球到太阳平均距离的1%左右 。
火星的质量很小 ， 仅相当于地球的10.7% ， 表面的引力加速度仅为地球的37.9% 。 所以 ， 它的希尔球被太阳“压缩”得更小 ， 半径仅为约100万千米——理论上 ， “天问一号”至少需要冲进这个范围 ， 才能被火星捕获 。 但实际上 ， 它需要至少达到希尔球内部约三分之一位置 ， 才有可能维持相对稳定的轨道 。 例如 ， 月球就稳定运转在距离地球38万千米的轨道上 。 所以 ， “天问一号”投入火星怀抱 ， 实际上对于轨道控制的精度要求会高很多 。
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▲国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像 。 新华社发
而且 ， 火星围绕太阳轨道是一个偏心率为0.1的椭圆 ， 它与地球的最近距离也是时远时近 。 它的轨道面与黄道平面（地球围绕太阳运动的轨道面）也存在1.8度的夹角 ， 这使得地球到火星之间的飞行轨道设计更加复杂——最终要冲进这么一个狭小的引力影响范围 ， 谈何容易！
因此 ， “天问一号”的火星探测之旅大概相当于：让一个人在滑翔机上（运动速度较快的地球）扔（发射）一粒小石子（“天问一号”） ， 在提前很远的位置（发射窗口） ， 中间有风和空气的影响（恒星和行星等各种引力源） ， 经过精准控制（深空机动和轨道修正） ， 准确穿过地面上一辆左右前后运动中（围绕太阳运动轨道倾角不同 ， 火星轨道有较大偏心率）的小汽车（运动速度较慢的火星）天窗（引力影响范围希尔球）后 ， 再掉到司机的水杯里（环绕火星轨道） ， 难度可想而知 。
制动减速
刀尖上起舞的航天技术
进入火星引力影响范围并不是终点 。 虽然这里已经是火星的世界 ， 但如果以火星为参照 ， “天问一号”的原本速度加上火星引力加速效果 ， 会使得两者的相对速度变得很大 ， 甚至超过火星逃逸速度（能从火星表面永远逃离火星引力的速度 ， 约5千米/秒） 。 这意味着在不采取任何措施的情况下 ， “天问一号”会在火星附近完成 “惊鸿一瞥”后 ， 随即在自身速度和火星引力作用下 ， 飞向更远的深空 。
在人类探测火星的初期 ， “水手四号”等探测器的飞掠任务就是这种模式：任务周期长达数年 ， 但仅有极短（1天左右）一次临近火星的机会 。 这是当时航天器无法有效制动减速的无奈之举 。 因此 ， 飞入火星引力主导范围、达到目标位置后 ， “天问一号”需要立即制动减速 。
在具体操作过程中 ， 通信延时是个很重要的影响因素 。 在地球附近 ， 航天器与飞控中心双向通信延时以毫秒计 ， 即便到了月球也仅为2秒 。 而在火星附近 ， 双向通信延时最短为6分钟 ， 最长可达45分钟 ， 还会存在地球和火星自转造成遮挡、太阳活动和空间天气剧变等因素干扰 。 这意味着 ， 地球上的飞控中心不可能实时控制 “天问一号”完成制动操作 ， 从而需要它在提前装载程序后自主完成这 “刀尖上起舞”的减速过程 。
天问一号|即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难
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国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器飞行图像 。 新华社发
制动减速需要消耗推进剂 ， 而“天问一号”的任何一滴推进剂都是无比宝贵的 ， 是重达870吨的长征五号火箭拼尽全力发射、经历了近7个月深空飞行才送抵火星的成果 。 而且 ， 按照后续的任务规划 ， “天问一号”的环绕器部分需要长期在火星上空工作 ， 这也需要定期进行轨道维持 。 如果能最大限度节省推进剂 ， 则意味着能最大限度延长轨道器的总工作时间 ， 这对“天问一号”的工程和科学产出有重大意义 。 因此 ， “天问一号”会通过进入环绕火星大椭圆轨道的方式最大限度节省推进剂 。
环绕火星
静待最佳着陆时机
人类探测火星60年来 ， 共有四种任务类型：惊鸿一瞥的“飞掠” ， 登高望远的“环绕” ， 观天测地的“降落” ， 自由移动的“巡视” 。
【天问一号|即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难】其中 ， “飞掠”仅在早期技术不成熟或其他任务兼而探测火星时使用 ， 另外三种是近年来的主要任务类型 。 而“天问一号”则将挑战近年来人类探测火星任务的“复杂度之最”——同时完成“环绕” “降落”和“巡视”三大工程目标 。
环绕器（轨道器）能长期环绕火星 ， 采集海量数据 ， 全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等 ， 还能起到信号中继作用 ， 服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器 。 着陆器能仔细研究火星表面的各种细节 ， 但由于着陆机构重量和自身能量限制 ， 无法移动和自由巡视 。 巡视器则可以随处移动 ， 意义不言而喻 ， 它能携带更多科研载荷 ， 从事多地点多方面的精细研究 。
被火星捕获之后约3个月的“环火”之旅 ， 将是“天问一号”的环绕器最为忙碌的时间 。 它需要逐渐开启自身的7个有效载荷 ， 认真研究火星表面的情况 ， 反复确认着陆地点和最优着陆窗口 。 一旦确认后 ， 环绕器继续在轨工作 ， 着陆器将从环绕器分离 ， 携带巡视器开启最为艰难的火星着陆之旅 。 在此新年到来之际 ， 让我们共同期盼 “天问一号”任务最辉煌时刻的成功到来 。
作者：毛新愿（航天工程博士、中国航天科普大使）
编辑：许琦敏
责任编辑：任荃
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