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火星探索的征途:“天問一號”進入環火大橢圓軌道

來源:中國軍網-解放軍報作者:毛新愿 殷向榮責任編輯:楊凡凡
2021-03-05 07:13

“天問一號”進入環火大橢圓軌道

■毛新愿 殷向榮

“天問一號”飛臨火星示意圖。

時隔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”探測器開始制動工作約15分鐘后,成功進入近火點高度約400公里、周期約10個地球日、傾角約10°的環繞火星大橢圓軌道。

這標志著我國“天問一號”火星探測任務取得初步成功,可謂經受住了“奔火”大考的初步考驗,也開啟了迎接“環火”大考的新征程。今天,讓我們一起追蹤它的身影——

超高難度,實現“繞、著、巡”一攬子計劃

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歷程。1960年10月到1964年11月,蘇聯和美國連續6次探測失敗。人類首顆抵達火星的探測器是美國研制的“水手四號”。

迄今為止,人類航天探索火星已達60余年,主要包括四大任務類型:飛掠、環繞、著陸和巡視。

飛掠:就如“驚鴻一瞥”,飛行器只能在火星遠處飛掠而過,近距離接觸火星的時間極其有限。這是人類航天技術尚不成熟時的無奈之舉,僅在早期沒有能力制動進入環火軌道時使用。如今,已經沒有專門針對火星進行的飛掠任務了。

環繞:即環繞器通過制動減速進入環繞火星軌道。這能長期環繞火星進行觀測,幫助人類了解火星的磁場、大氣、重力場、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中繼服務,成為連接地球和火星的“宇宙燈塔”。

著陸:即直達火星表面,詳細研究火星表面情況,尤其是底層大氣情況、氣象條件和淺層土壤構成等。這都是“登高望遠”的環繞器所做不到的。然而,無法自由移動始終是探測器的一個“硬傷”。因為小范圍研究著陸區域,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?;鹦擒嚁y帶多種復雜科學儀器,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和信號中繼系統輔助,否則幾乎不可能與地球直接通信。

考慮到不同任務的執行難度,一般情況下,研究人員都會選擇分開執行環繞、著陸、巡視任務。即便這樣,失敗的嘗試也不在少數。

據悉,此次“天問一號”可接續完成環繞、著陸、巡視3項任務,實現“繞、著、巡”的一攬子計劃。

其困難程度不言而喻。且巡視器重達240千克,著陸器不僅服務著陸過程,還要有一定裝載傳感器和通信設備的空間。有關科研人員說,“天問一號”是人類探測火星工程技術復雜度最高的任務之一。

失之毫厘,謬以千里,整體入軌成最佳方案

執行第一大任務的環繞器,集中了整個探測器的推進系統、能源系統、通信系統、導航制導與控制等核心系統,是整個任務成敗的關鍵。只有連續進行1次深空機動和4次軌道修正,才能確?!疤靻栆惶枴笔冀K飛行在理想軌跡上,最終和火星如期相遇。

與火星成功“相遇”,指的是沖進火星的引力影響范圍。太陽占據了太陽系總質量的99%以上,是太陽系內的引力中心,它會把火星等行星的引力影響范圍約束在一個定義為“希爾球”的空間內。

理論上,火星的“希爾球”半徑約為100萬公里,至少在內部1/3的位置,探測器才能長期穩定環繞軌道。當然,實際情況下,探測器需要達到更近的距離,它需要沖到距離火星表面僅有幾百公里的位置開始制動。

進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”相對速度會超過從火星表面永遠逃離的逃逸速度(約5公里/秒)。如果不制動減速,“天問一號”只能完成對火星的“驚鴻一瞥”,隨即在火星引力作用下改變軌道,飛入更遠的太空。最終,被太陽引力重新拉回,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,是遠征火星的重中之重。

從具體工程實踐角度看,著陸器和巡視器的目標并非環繞火星,它們完全可以不跟隨環繞器而直接降落火星。理論上,在近火星上空,“天問一號”的著陸器攜帶巡視器立即分離,環繞器可以單獨進入環繞火星軌道,這樣對環繞器要求將大幅降低。這也是蘇聯的“火星2號”“火星3號”,還有歐洲的火星快車和“小獵犬2號”、微量氣體探測器和“斯基亞帕雷利”號曾經采取的方案。

但這種方案也存在很大的不足——容錯空間極小。

我國對火星的認知還不多,對火星著陸區域尚無實地勘察,且沒有穩定運行在火星上空的環繞器作信號中繼服務。另一方面,火星大氣稀薄、地形復雜,整個著陸過程僅有約7分鐘時間。但目前,地球、火星間約1.9億公里的雙向通信有長達21分鐘左右的時延。這意味著,整個分離著陸過程,探測器將完全失去地面測控支持。此方案就好比在“刀尖上起舞”,存在很大風險。上述提到的蘇聯及歐洲的幾個任務中,除了“火星3號”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。

為將后續風險降至最小,“天問一號”采取了探測器整體進入環繞火星軌道的方案。這樣,雖然會給環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,完成后續任務將從容很多。

入軌待機:用最少的燃料,派最大的用場

“天問一號”成功進入的是一個超大環火橢圓軌道,拋棄了理論上最理想的環繞火星方式,這是為何呢?

所謂的“最理想的環繞火星方式”,其實就是保持近圓極地軌道。這樣,能相對火星保持穩定距離,最大限度覆蓋對火星的觀測范圍,獲得理想的科研結果。

然而,火星引力約為地球引力的38%,探測器在它附近進行機動操作,會受到較大影響。直接制動切入環繞火星的圓軌道,對制動系統要求極高,往往需要消耗掉巨量的推進劑,甚至遠遠超過探測器和運載火箭的能力。

要知道,火星探測器的推進劑是無比寶貴的。對于“天問一號”而言,每一滴推進劑都是被長征五號火箭發射后,又獨立深空飛行近7個月才送抵火星附近的成果。環繞器還需攜帶沉重的著陸器和巡視器整體制動減速,推進劑消耗量進一步增加。而且,按照后續任務規劃,環繞器需要長期在火星上空工作,并定期進行軌道維持。最大限度節省推進劑、延長環繞器總工作時間,對于“天問一號”工程和科學產出有著重大意義。

因此,“天問一號”整體在近火點附近減速,首先進入近火點高度約400公里、周期約10個地球日、傾角約10o的環繞火星大橢圓軌道。據有關科研人員介紹,隨后的2個月內,“天問一號”還會在遠火點啟動,推進系統調整軌道傾角和軌道形狀,并在近火點多次工作,將遠火點降低到數萬公里高。

“近火點制動減速,遠火點調整軌道傾角”,這樣的軌道設計,是基于探測任務工程復雜度和推進系統能力的綜合考量,能最大限度節約推進劑、確保環繞器的長久工作狀態。

據悉,進入環繞火星大橢圓軌道的未來2~3個月內,“天問一號”上的環繞器會開啟7個科研有效載荷,細致勘察待選火星著陸地點,與地面實時溝通相關信息,逐漸調整軌道到最佳著陸窗口。等窗口來臨之時,著陸器和巡視器的結合體將立刻分離,沖進火星大氣,正式開啟“天問一號”任務周期內挑戰最大、也最為高光的“著陸七分鐘”時刻。

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過程中,“天問一號”還要經歷多重考驗,讓我們共同期待它后續的精彩表演吧!

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