2021年2月10日19時52分，中國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器實(shí)施近火捕獲制動，順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10度的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”第一步“繞”的目標(biāo)，環(huán)繞火星獲得成功。

到了2月15日17時，天問一號成功實(shí)施捕獲軌道遠(yuǎn)火點(diǎn)平面機(jī)動，將軌道調(diào)整為經(jīng)過火星兩極的環(huán)火軌道，并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約265千米。

可以明顯看出，天問一號從低傾角（相對于火星赤道平面約10度）的軌道進(jìn)入了極軌道（經(jīng)過兩極的軌道傾角為90度），完美完成了一次“側(cè)空翻”，從“橫著飛”變成了“縱向飛”，那為什么需要這么一個機(jī)動操作呢？

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低傾角入軌確保成功率和理想近火點(diǎn)緯度

太陽占據(jù)了太陽系超過99%的質(zhì)量，是絕對引力核心，牢牢束縛住各大行星，它們的公轉(zhuǎn)平面也因此基本接近，例如地球和火星環(huán)繞太陽的軌道平面傾角僅相差約1.9度。脫離地球引力后，天問一號也基本在這個“近似二維平面”內(nèi)運(yùn)動，完成202天、約4.75億千米的地火轉(zhuǎn)移旅程?；鹦潜旧碜赞D(zhuǎn)軸傾角約25.2度，這也是它的赤道相對于圍繞太陽公轉(zhuǎn)軌道面的角度?；鹦且陀绊懛秶h(yuǎn)大于月球等小型天體，抵達(dá)火星后進(jìn)入較低傾角的軌道是在較強(qiáng)引力攝動環(huán)境下的較高成功率方案。

抵近火星后，天問一號最重要的事情是完成近火點(diǎn)制動，否則將因?yàn)橄鄬鹦撬俣冗^大永久錯過火星，這也是整個任務(wù)消耗最多推進(jìn)劑的一次操作，最終進(jìn)入近火點(diǎn)約400千米、遠(yuǎn)火點(diǎn)約180000千米的超大橢圓軌道，最大限度節(jié)約了推進(jìn)劑。與此同時，近火制動的位置也決定了短期內(nèi)環(huán)繞火星軌道的近火點(diǎn)緯度。

天問一號要在一次任務(wù)中完成“繞、著、巡”三大火星探測方式，其中“繞”是“著”和“巡”的基礎(chǔ)，否則著陸器和巡視器組合體將缺乏信號中繼服務(wù)，幾乎不可能跟地球聯(lián)系。天問一號也是中國首次火星探測，我們對火星著陸目標(biāo)區(qū)域的了解還極其有限，尤其是它在近期的氣象條件、地形地貌細(xì)節(jié)等，有必要保證天問一號整體入軌后有充足的機(jī)會利用環(huán)繞器攜帶的高分辨率相機(jī)等儀器對其細(xì)致觀測。天問一號的首選著陸區(qū)域是位于火星北半球的烏托邦平原南端，備選地點(diǎn)為該平原東南部，整體緯度約在5-25度之間，目前軌道的近火點(diǎn)緯度比較適合詳細(xì)觀測這些區(qū)域。

而如果近火制動直接進(jìn)入極軌道，不僅工程任務(wù)難度加大，還會導(dǎo)致近火點(diǎn)緯度過高，不適合勘察目標(biāo)著陸區(qū)域，通過后續(xù)機(jī)動的方式調(diào)整近火點(diǎn)緯度將消耗大量推進(jìn)劑，性價比很低。

02

為什么必須把軌道立起來？怎么立？

低傾角軌道也有明顯的缺點(diǎn)：對火星的觀測范圍非常有限。它的星下點(diǎn)軌跡（環(huán)繞軌道在火星表面上的投影）只能在火星赤道南北緯10度以內(nèi)，即便考慮了各類儀器的可勘探范圍，也無法全面勘探火星，例如很難觀測到南北極冠區(qū)域，這不符合環(huán)繞器對火星全面勘探的科學(xué)目標(biāo)。此外，著陸器和巡視器自身缺乏變軌能力，低傾角軌道基本將它們的著陸可能性鎖定在了星下點(diǎn)軌跡的區(qū)域。

因此，必須讓環(huán)繞器的軌道立起來，進(jìn)入飛過火星南北極冠區(qū)域的極軌道。隨著火星的自轉(zhuǎn)，環(huán)繞器能通過長期工作獲得火星的全面情況，尤其是有著較大科學(xué)研究意義的極冠區(qū)域，也給著陸器和巡視器選擇更大著陸區(qū)域的空間。

天問一號的任何一次機(jī)動都會消耗寶貴的推進(jìn)劑，推進(jìn)劑的余量也直接決定了未來環(huán)繞器的工作時間甚至整個任務(wù)的成敗。而改變軌道傾角是航天器最消耗推進(jìn)劑的機(jī)動之一，消耗量與所需要的速度變化量正相關(guān)，也跟調(diào)整瞬間的航天器速度正相關(guān)。即航天器速度越快時，調(diào)整軌道傾角的推進(jìn)劑消耗量越大。

這個原理可以類比于汽車確定要拐彎90度：如果在高速公路駕駛車速較快時，需要非常大的轉(zhuǎn)彎半徑和油耗，危險系數(shù)也很高；而如果在泊進(jìn)停車位速度較慢時，往往較小的物理空間和油耗就夠，危險系數(shù)低很多。

再補(bǔ)充一個小知識：對于任何一個航天器而言，它的運(yùn)動過程可以視作重力勢能與動能互相轉(zhuǎn)換的過程。當(dāng)航天器距離天體越近，重力勢能越小，動能就會越大，速度就越大。例如，神舟飛船飛在距離地球400千米高，速度可以達(dá)到7.7千米/秒，而飛在36000千米高的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星速度就僅為3.1千米/秒。

讀到這里，相信讀者們已經(jīng)自己有了答案：這次軌道傾角調(diào)整，就應(yīng)該選在距離火星最遠(yuǎn)的點(diǎn)！遠(yuǎn)火點(diǎn)達(dá)到約180000千米，速度很小、很適合改變傾角。大家甚至可以推斷應(yīng)該在近火制動后第5天、首個軌道運(yùn)行恰好一半抵達(dá)遠(yuǎn)火點(diǎn)時開始機(jī)動！

如此軌道傾角調(diào)整并不會影響近火點(diǎn)緯度，依然可以保證對火星預(yù)選著陸區(qū)的有效勘察。這次機(jī)動還把近火點(diǎn)的高度進(jìn)一步降低為265千米，讓中、高分辨率相機(jī)等的工作環(huán)境更為理想。

綜上，天問一號首先近火制動進(jìn)入超大橢圓初始軌道、在遠(yuǎn)火點(diǎn)大幅調(diào)整軌道傾角為極軌道的綜合策略，是綜合考慮了入軌成功率和工程難度、節(jié)約推進(jìn)劑和獲得最優(yōu)著陸區(qū)域觀察機(jī)會的方案。天問一號未來還會調(diào)整軌道，降低遠(yuǎn)火點(diǎn)高度、縮短環(huán)繞周期。在著陸器和巡視器分離后，環(huán)繞器長期保持穩(wěn)定的科學(xué)觀測軌道，為我們帶來更多關(guān)于火星的奧秘。

這個“側(cè)空翻”的背后，是航天人最強(qiáng)大腦的“中國式招數(shù)”。

來 源丨中國的航天

作 者丨毛新愿

編 輯丨王舒穎