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(huán)繞火星大橢圓軌道。
這標志著我國“天問一號”火星探測任務(wù)取得初步成功，可謂經(jīng)受住了“奔火”大考的初步考驗，也開啟了迎接“環(huán)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(xiàn)“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(lián)和美國連續(xù)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(wù)類型：飛掠、環(huán)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(shù)尚不成熟時的無奈之舉，僅在早期沒有能力制動進入環(huán)火軌道時使用。如今，已經(jīng)沒有專門針對火星進行的飛掠任務(wù)了。
環(huán)繞：即環(huán)繞器通過制動減速進入環(huán)繞火星軌道。這能長期環(huán)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(wù)，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(gòu)成等。這都是“登高望遠”的環(huán)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(qū)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(wù)?；鹦擒嚁y帶多種復(fù)雜科學(xué)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(tǒng)和信號中繼系統(tǒng)輔助，否則幾乎不可能與地球直接通信。
考慮到不同任務(wù)的執(zhí)行難度，一般情況下，研究人員都會選擇分開執(zhí)行環(huán)繞、著陸、巡視任務(wù)。即便這樣，失敗的嘗試也不在少數(shù)。
據(jù)悉，此次“天問一號”可接續(xù)完成環(huán)繞、著陸、巡視3項任務(wù)，實現(xiàn)“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(wù)著陸過程，還要有一定裝載傳感器和通信設(shè)備的空間。有關(guān)科研人員說，“天問一號”是人類探測火星工程技術(shù)復(fù)雜度最高的任務(wù)之一。
失之毫厘，謬以千里，整體入軌成最佳方案
執(zhí)行第一大任務(wù)的環(huán)繞器，集中了整個探測器的推進系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制等核心系統(tǒng)，是整個任務(wù)成敗的關(guān)鍵。只有連續(xù)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(jù)了太陽系總質(zhì)量的99%以上，是太陽系內(nèi)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(nèi)。
理論上，火星的“希爾球”半徑約為100萬公里，至少在內(nèi)部1/3的位置，探測器才能長期穩(wěn)定環(huán)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(huán)繞火星，它們完全可以不跟隨環(huán)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(huán)繞器可以單獨進入環(huán)繞火星軌道，這樣對環(huán)繞器要求將大幅降低。這也是蘇聯(lián)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(jīng)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(qū)域尚無實地勘察，且沒有穩(wěn)定運行在火星上空的環(huán)繞器作信號中繼服務(wù)。另一方面，火星大氣稀薄、地形復(fù)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(fēng)險。上述提到的蘇聯(lián)及歐洲的幾個任務(wù)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(xù)風(fēng)險降至最小，“天問一號”采取了探測器整體進入環(huán)繞火星軌道的方案。這樣，雖然會給環(huán)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(xù)任務(wù)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(huán)火橢圓軌道，拋棄了理論上最理想的環(huán)繞火星方式，這是為何呢？
所謂的“最理想的環(huán)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(wěn)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(jié)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(huán)繞火星的圓軌道，對制動系統(tǒng)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(fā)射后，又獨立深空飛行近7個月才送抵火星附近的成果。環(huán)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(xù)任務(wù)規(guī)劃，環(huán)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(jié)省推進劑、延長環(huán)繞器總工作時間，對于“天問一號”工程和科學(xué)產(chǎn)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(huán)繞火星大橢圓軌道。據(jù)有關(guān)科研人員介紹，隨后的2個月內(nèi)，“天問一號”還會在遠火點啟動，推進系統(tǒng)調(diào)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(shù)萬公里高。
“近火點制動減速，遠火點調(diào)整軌道傾角”，這樣的軌道設(shè)計，是基于探測任務(wù)工程復(fù)雜度和推進系統(tǒng)能力的綜合考量，能最大限度節(jié)約推進劑、確保環(huán)繞器的長久工作狀態(tài)。
據(jù)悉，進入環(huán)繞火星大橢圓軌道的未來2～3個月內(nèi)，“天問一號”上的環(huán)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(guān)信息，逐漸調(diào)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(jié)合體將立刻分離，沖進火星大氣，正式開啟“天問一號”任務(wù)周期內(nèi)挑戰(zhàn)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”。火星探測過程中，“天問一號”還要經(jīng)歷多重考驗，讓我們共同期待它后續(xù)的精彩表演吧！