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兵在掌上阅 亮剑弹指间

“天问一号”进入环火大椭圆轨道


■毛新愿 殷向荣

“天问一号”飞临火星示意图。

时隔202天,跨越近5亿公里,2021年2月10日晚,奔赴火星的“天问一号”探测器开始制动工作约15分钟后,成功进入近火点高度约400公里、周期约10个地球日、倾角约10°的环绕火星大椭圆轨道。

这标志着我国“天问一号”火星探测任务取得初步成功,可谓经受住了“奔火”大考的初步考验,也开启了迎接“环火”大考的新征程。今天,让我们一起追踪它的身影——

超高难度,实现“绕、着、巡”一揽子计划

火星,是人类最想了解的地球邻居之一。人类很早就开启了火星探测历程。1960年10月到1964年11月,苏联和美国连续6次探测失败。人类首颗抵达火星的探测器是美国研制的“水手四号”。

迄今为止,人类航天探索火星已达60余年,主要包括四大任务类型:飞掠、环绕、着陆和巡视。

飞掠:就如“惊鸿一瞥”,飞行器只能在火星远处飞掠而过,近距离接触火星的时间极其有限。这是人类航天技术尚不成熟时的无奈之举,仅在早期没有能力制动进入环火轨道时使用。如今,已经没有专门针对火星进行的飞掠任务了。

环绕:即环绕器通过制动减速进入环绕火星轨道。这能长期环绕火星进行观测,帮助人类了解火星的磁场、大气、重力场、地物地貌、浅层地表等综合情况。此外,它们还能为降落到火星表面的着陆器和巡视器提供信号中继服务,成为连接地球和火星的“宇宙灯塔”。

着陆:即直达火星表面,详细研究火星表面情况,尤其是底层大气情况、气象条件和浅层土壤构成等。这都是“登高望远”的环绕器所做不到的。然而,无法自由移动始终是探测器的一个“硬伤”。因为小范围研究着陆区域,能获得的科研成果太有限。

巡视:即由火星车来完成巡视任务。火星车携带多种复杂科学仪器,能在火星自由巡视。但它无法自主着陆火星,且受限于能量和天线尺寸问题。除非有额外的着陆系统和信号中继系统辅助,否则几乎不可能与地球直接通信。

考虑到不同任务的执行难度,一般情况下,研究人员都会选择分开执行环绕、着陆、巡视任务。即便这样,失败的尝试也不在少数。

据悉,此次“天问一号”可接续完成环绕、着陆、巡视3项任务,实现“绕、着、巡”的一揽子计划。

其困难程度不言而喻。且巡视器重达240千克,着陆器不仅服务着陆过程,还要有一定装载传感器和通信设备的空间。有关科研人员说,“天问一号”是人类探测火星工程技术复杂度最高的任务之一。

失之毫厘,谬以千里,整体入轨成最佳方案

执行第一大任务的环绕器,集中了整个探测器的推进系统、能源系统、通信系统、导航制导与控制等核心系统,是整个任务成败的关键。只有连续进行1次深空机动和4次轨道修正,才能确保“天问一号”始终飞行在理想轨迹上,最终和火星如期相遇。

与火星成功“相遇”,指的是冲进火星的引力影响范围。太阳占据了太阳系总质量的99%以上,是太阳系内的引力中心,它会把火星等行星的引力影响范围约束在一个定义为“希尔球”的空间内。

理论上,火星的“希尔球”半径约为100万公里,至少在内部1/3的位置,探测器才能长期稳定环绕轨道。当然,实际情况下,探测器需要达到更近的距离,它需要冲到距离火星表面仅有几百公里的位置开始制动。

进入火星引力影响范围只是开始。如果以火星为参照,“天问一号”相对速度会超过从火星表面永远逃离的逃逸速度(约5公里/秒)。如果不制动减速,“天问一号”只能完成对火星的“惊鸿一瞥”,随即在火星引力作用下改变轨道,飞入更远的太空。最终,被太阳引力重新拉回,成为一颗人造“小行星”,与火星和地球再无交集。

由此可见,最佳入轨方案的选择,是远征火星的重中之重。

从具体工程实践角度看,着陆器和巡视器的目标并非环绕火星,它们完全可以不跟随环绕器而直接降落火星。理论上,在近火星上空,“天问一号”的着陆器携带巡视器立即分离,环绕器可以单独进入环绕火星轨道,这样对环绕器要求将大幅降低。这也是苏联的“火星2号”“火星3号”,还有欧洲的火星快车和“小猎犬2号”、微量气体探测器和“斯基亚帕雷利”号曾经采取的方案。

但这种方案也存在很大的不足——容错空间极小。

我国对火星的认知还不多,对火星着陆区域尚无实地勘察,且没有稳定运行在火星上空的环绕器作信号中继服务。另一方面,火星大气稀薄、地形复杂,整个着陆过程仅有约7分钟时间。但目前,地球、火星间约1.9亿公里的双向通信有长达21分钟左右的时延。这意味着,整个分离着陆过程,探测器将完全失去地面测控支持。此方案就好比在“刀尖上起舞”,存在很大风险。上述提到的苏联及欧洲的几个任务中,除了“火星3号”着陆器成功着陆、工作了十几秒钟外,其余着陆器均以失败告终。

为将后续风险降至最小,“天问一号”采取了探测器整体进入环绕火星轨道的方案。这样,虽然会给环绕器带来不小的工作压力,但留给着陆器和巡视器自由选择着陆窗口的空间更大,完成后续任务将从容很多。

入轨待机:用最少的燃料,派最大的用场

“天问一号”成功进入的是一个超大环火椭圆轨道,抛弃了理论上最理想的环绕火星方式,这是为何呢?

所谓的“最理想的环绕火星方式”,其实就是保持近圆极地轨道。这样,能相对火星保持稳定距离,最大限度覆盖对火星的观测范围,获得理想的科研结果。

然而,火星引力约为地球引力的38%,探测器在它附近进行机动操作,会受到较大影响。直接制动切入环绕火星的圆轨道,对制动系统要求极高,往往需要消耗掉巨量的推进剂,甚至远远超过探测器和运载火箭的能力。

要知道,火星探测器的推进剂是无比宝贵的。对于“天问一号”而言,每一滴推进剂都是被长征五号火箭发射后,又独立深空飞行近7个月才送抵火星附近的成果。环绕器还需携带沉重的着陆器和巡视器整体制动减速,推进剂消耗量进一步增加。而且,按照后续任务规划,环绕器需要长期在火星上空工作,并定期进行轨道维持。最大限度节省推进剂、延长环绕器总工作时间,对于“天问一号”工程和科学产出有着重大意义。

因此,“天问一号”整体在近火点附近减速,首先进入近火点高度约400公里、周期约10个地球日、倾角约10o的环绕火星大椭圆轨道。据有关科研人员介绍,随后的2个月内,“天问一号”还会在远火点启动,推进系统调整轨道倾角和轨道形状,并在近火点多次工作,将远火点降低到数万公里高。

“近火点制动减速,远火点调整轨道倾角”,这样的轨道设计,是基于探测任务工程复杂度和推进系统能力的综合考量,能最大限度节约推进剂、确保环绕器的长久工作状态。

据悉,进入环绕火星大椭圆轨道的未来2~3个月内,“天问一号”上的环绕器会开启7个科研有效载荷,细致勘察待选火星着陆地点,与地面实时沟通相关信息,逐渐调整轨道到最佳着陆窗口。等窗口来临之时,着陆器和巡视器的结合体将立刻分离,冲进火星大气,正式开启“天问一号”任务周期内挑战最大、也最为高光的“着陆七分钟”时刻。

火星探索的征途,无疑是披荆斩棘之路,入轨只是一次“大考”。火星探测过程中,“天问一号”还要经历多重考验,让我们共同期待它后续的精彩表演吧!

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