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为什么天问一号必须进入环绕火星大椭圆轨道?

2021-02-23 16:53 科普中国网   

时隔202天,跨越近5亿千米,2021年2月10日晚间,天问一号制动工作约15分钟后,探测器成功进入近火点高度约400千米、周期约10个地球日、倾角约10º的环绕火星的大椭圆轨道!这标志着天问一号火星探测任务取得了初步成功,也开启了星辰征途的下一步。

这次入轨可谓是一次奔火“大考”,整体入轨、超大椭圆轨道……为到火星,天问一号究竟有多努力?

超高难度“绕落巡”一步到位

火星,是人类最想了解的地球邻居之一,在掌握航天技术后的第一时间,人类就开启了火星探测历程。1960年10月到1964年11月,苏美经过了6次连续失败尝试后,美国终于成功发射了人类首颗成功抵达火星的探测器“水手四号”。

人类探索火星60年,主要包括四大任务类型,天问一号的任务是复杂度最高的一次。

四大火星探索任务类型主要包括飞掠、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:环绕器通过制动减速进入环绕火星轨道。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、地形地貌、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:直达火星表面,去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”的环绕器做不到的。然而,无法自由移动始终是一个的硬伤,因为研究小范围的着陆区域所能获得的科研成果太有限。

巡视:巡视任务需要依赖火星车来完成。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,除非依赖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,都会选择分开执行环绕着陆、巡视任务。即使这样,失败的尝试也不在少数。

天问一号,将一次同时实现“环绕”、“着陆”和“巡视”3项任务,“绕落巡”一步到位!

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,可以说天问一号是人类探测火星工程技术复杂度之最。

面对高难度,强载重的挑战,天问一号如何成功完成了第一大任务——“绕”?

失毫厘谬千里,整体入轨是最佳方案

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,才能保证天问一号始终飞行在理想的轨迹上,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100万千米,至少在内部三分之一的位置,探测器才能长期稳定环绕轨道。也就是说,天问一号至少要冲进这个范围。当然,实际情况下需要达到更近的距离,它需要冲到距离火星表面仅有几百千米的位置开始制动。

进入火星引力影响范围只是开始。如果以火星为参照,天问一号的相对速度会超过从火星表面永远逃离的逃逸速度(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,这样对环绕器的要求将大幅降低。这也是苏联火星2号/3号,欧洲火星快车/小猎犬2号、微量气体探测器/斯基亚帕雷利号曾经采取的方案。

但是这种方案有个很大的不足:容错空间极小。

中国对火星的认知还很少,火星着陆区域尚无实地勘查,且没有已经稳定运行在火星上空的环绕器做信号中继服务。另一方面,火星大气稀薄,地形地貌复杂,整个着陆过程仅有约7分钟的时间,但目前地球、火星间约1.9亿千米的双向通信有长达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。这一方案就像“刀尖上起舞”,存在很大风险。事实上,上述提到的几个任务中,除了火星3号的着陆器成功着陆,工作了十几秒之外,其余着陆器均以失败告终。

为将后续风险降至最小,天问一号采取了环绕器携带整体进入环绕火星轨道的方案。这样虽然会给环绕器带来更大的工作压力,但留给着陆器和巡视器自由选择着陆窗口的空间更大,后续任务将从容很多。

20世纪最著名的维京一号和维京二号探测器就采取的这种方案,它们抵达火星后整体进入环绕火星轨道,在一个多月后着陆器才择机分离、着陆火星,造就了一个时代的火星探测传奇。

进入超大环绕火星椭圆轨道等待着陆时机/备选:出最少的力,达成最优的效果

天问一号成功进入的是一个超大的环火椭圆轨道,抛弃了最理想的环绕火星方式,这又是为何呢?

先说最理想的环绕火星方式,其实就是保持近圆极地轨道,这样能够相对火星保持稳定的距离,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,火星虽小,但依然不容忽视,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受仍会受到较大影响。直接制动切入环绕火星的圆轨道对于制动系统要求极高,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都是无比宝贵的。对于天问一号而言,每一滴推进剂,都是重达870吨的长征五号火箭深空飞行近7个月才送抵火星的成果。环绕器还需要携带沉重的着陆器和巡视器整体制动减速,推进剂的消耗量进一步上升。而且按照后续的任务规划,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,延长环绕器的总工作时间,对于天问一号的工程和科学产出有着重大意义。

因此,天问一号会整体在近火点附近减速,首先进入近火点约400千米、周期约10个地球日、倾角约10º的环绕火星大椭圆轨道。在随后的2个月内,它还会在远火点启动,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万千米高。

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,维京系列任务曾经的轨道设计方案也是这个思路。

对于单独的环绕器任务而言,也可以利用火星稀薄大气进行空气刹车以节约推进剂,不过这一方面需要丰富的经验积累,历史上也出现过不小心焚毁在火星大气的案例(1998年发射的火星气候探测器),另一方面空气刹车往往持续数月到数年,并不适合本次任务就不再赘述。

共同期待高光时刻

在未来的2-3个月内,环绕器会开启7个科研有效载荷,认真勘察待选火星着陆地点,与地面时刻沟通相关信息,逐渐调整轨道到最佳着陆窗口。等到窗口来临之时,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最大挑战、也最为高光的“恐怖七分钟”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”。火星探测的路上,天问一号还要经历多次考验,让我们共同期待它后续的高光时刻!

 

责任编辑: 3976DBC

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