减速慢行，前方火星——“天问一号”踩脚刹车有多复杂？

近期，我国“天问一号”火星探测器实施三次“踩刹车”，成功被火星捕获，并进入停泊轨道。探测器“刹车”“停泊”都是为了什么？

撰文/记者 李鹏 编辑/丁林

新媒体编辑/房永珍

采访专家

郑永春（中国科学院国家天文台研究员）

庞之浩（全国空间探测技术首席科学传播专家）

2月10日，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动“踩刹车”，成为我国第一颗人造火星卫星，实现了“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。

同时，“天问一号”将对预选着陆区地形地貌、沙尘天气等进行详查，为择机着陆火星做好准备。“天问一号”计划于今年5~6月择机实施火星着陆，开展巡视探测。

如何在距离地球万里之遥的茫茫太空，打好“漂移”、踩好“刹车”？这其中大有学问。

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航天器在入轨时“踩刹车”有多重要？

“天问一号”在到达火星附近时，其相对速度远超火星表面的逃逸速度（约5千米/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”。

对于以高速度向火星靠近的探测器来说，要想被火星引力所捕获，就必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段，精准、自主可靠地完成制动减速。

如果“踩刹车”浅了或者晚了，“天问一号”就会与火星擦肩而过；如果“踩”得早或者重了，“天问一号”就会撞向火星坠毁。

最早探测火星的时候，由于没有掌握“踩刹车”的技术，各国采用了“掠”过火星的方式来探测火星，后来技术成熟了，就不再采用这样的方式了。

“踩刹车”是中国首次火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。由于火星距离遥远，信息传输存在延时问题，“踩刹车”的时间节点和操作时限都是提前计算好的，在这个范围内，探测器必须完全依靠自身完成发动机点火和关机，克服发动机点火期间的扰动，实现点火方向和点火时长的精确控制。幸而，“天问一号”探测器完全靠自己，在10分钟内将速度从28千米/秒降低至约1千米/秒，成功被火星捕获。

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为何选择大椭圆轨道来环绕火星？

航天器环绕火星，最为理想的方式就是近圆轨道。圆形的轨道能够让探测器相对火星保持稳定的距离，最大限度地覆盖对火星的观测范围，获得理想的科研结果。但是，“天问一号”进入火星时选择的，是一个超大的环火椭圆轨道。

“天问一号”任务之所以如此选择，是为了让我国的首次火星探测更加可靠。尽管火星引力只有地球引力的38%左右，但是依旧不容忽视。探测器如果直接制动切入环绕火星的近圆轨道，对于制动系统要求极高，且需要消耗掉大量的推进剂。为了一次性达到绕、落、巡的目标，“天问一号”环绕器携带着沉重的着陆器和巡视器。如果整体制动减速，推进剂的消耗量还会进一步上升。

此外，按照后续的任务规划，环绕器还需要长期在火星上空工作，并定期进行轨道维持。因此最大限度地节省推进剂，可以延长环绕器的总工作时间。所以“天问一号”选择了首先进入近火点约400千米、周期约10个地球日、倾角约为10°的环绕火星大椭圆轨道。

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为什么选择在近火点制动、远火点变轨？

在未来的2个月内，“天问一号”将会继续在远火点启动推进系统，调整轨道倾角和轨道形状，并在近火点多次制动减速。为何会有这样的安排呢？

地球等行星在近日点速度快，远日点速度慢。这样的规则同样适用于火星轨道上的航天器——探测器在近火点的速度更快，远火点速度更慢。

其实，近火点减速制动、远火点变轨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。

在近火点减速制动，可以让“天问一号”相对火星的速度小于火星逃逸速度，从而被引力捕获。多次近火点减速，就可以将“天问一号”的运行轨道逐步由大椭圆变成小椭圆。

远火点航天器受到的引力要更小一些，因此适合进行大的机动（改变探测器当前轨道，使其进入一条新的轨道而进行的轨道控制称作“机动”）。譬如，将运行轨道由绕赤道飞行的横轨道变成绕南北两极飞行竖轨道的“侧手翻”机动，在远火点就要容易得多。

计算表明，在400千米高度近火点，“天问一号”的速度是18万千米高度远火点速度的48倍左右，因此在远火点进行变轨也更加“经济实惠”，可以有效减少推进剂的消耗。

进行“天问一号”的制动减速，理论上也可利用火星稀薄大气进行“空气刹车”，这样的好处是可以节约推进剂，不过这种减速方案需要丰富的经验积累（历史上出现过探测器不小心焚毁在火星大气的案例，比如美国1998年发射的火星气候探测器就是如此）；另一方面，空气刹车往往持续数月到数年，这种操作需要的时间更长，“天问一号”因为还有落和巡的任务，就更不适合采用了。

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为什么要进入“停泊轨道”？

2月15日，“天问一号”成功实施捕获轨道远火点的平面机动：3000牛发动机点火工作以后，“天问一号”实现“侧手翻”，将轨道调整为经过火星两极的环火轨道，并将近火点高度调整至约265千米，以便拍摄火星两极，从而完成对火星全球的遥感成像任务。接下来，“天问一号”通过数次轨道调整，进入火星停泊轨道。

（图片来源：央视新闻）

停泊轨道是指航天器为了转移到另一条轨道而暂时停留的椭圆（圆）轨道，又称驻留轨道。例如，地球停泊轨道是发射月球探测器、登月载人飞船、空间探测器和离地球较远的人造地球卫星（如静止卫星）的一个阶段，用于选择进入过渡轨道的入轨点，以弥补地面发射场地理位置固定的缺点，满足过渡轨道的要求。月球和火星等的停泊轨道，则是选择进入轨道的起点，以保证航天器降落在天体表面的指定地区。

探测器在太空实施探测是否安排停泊轨道，主要是根据具体任务需要，以及可靠性的保证。“天问一号”准备一次性实现多重任务目标，难度和挑战都比较大，因此安排停泊轨道将会为其转移到进入轨道之前提供最后全面检查航天器各系统可靠性的机会，以保证“天问一号” 的着陆器和巡视器最后尽量准确地着陆在火星上的预选区域。

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“天问一号”着陆为何要再等3个月？

“天问一号”在去年7月23日发射升空，比美国的“毅力”号火星探测器早出发了一个星期。但是“毅力”号今年2月19日到达火星后就完成了着陆，比“天问一号”提前了3个月。为何“天问一号”着陆要等这么久？

美国是截至目前探测火星最多的国家，已经积累了成熟的技术、丰富的经验及数据资料。“毅力”号是美国送往火星的第五辆火星车，可以说是“轻车熟路”，抵达火星以后直接实施登陆也不奇怪。

△“毅力”号在火星表面着陆

其实，从具体工程实践角度看，“天问一号”的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。如果这样，对环绕器的要求也将大幅降低。

但着陆火星是一个非常艰难的过程。1960年10月到1964年11月，苏美两国经过了6次连续失败的尝试后，美国探测器“水手四号”才成为首颗成功抵达火星的航天器，因此，“天问一号”在着陆前做最为稳妥的准备，是很有必要的。

“天问一号”选择合适的着陆地点，就要获得相应的遥感数据，这些都需要通过长时间的环绕火星探测予以解决。尽管根据美国、苏联、欧空局的一些信息资料，中国已经掌握了很多关于火星的信息，但还是缺乏一些关键性的第一手资料。为了稳妥起见，中国需要先前在“绕”的阶段获得更多的样本资料和数据，而这些材料是成功实现火星着陆的重要保证。

在未来的2-3个月内，“天问一号”环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷，可以对火星开展多维度探测，为接下来的着陆提供充分的支持。

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出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 科学加客户端

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