减速慢行，前方火星——“天问一号”踩脚刹车有多复杂？(天问一号大年初四侧手翻奔驰越野车)

独沐秋风

2022-04-20 12:57:48

近日，中国“田文一号”火星探测器三次“踩刹车”，成功被火星捕获并进入停泊轨道。探测器“刹车”和“停车”是为了什么？

作者/记者李鹏编辑/丁琳

新媒体编辑/陈宣之

专家访谈

郑永春(中国科学院国家天文台研究员)

庞之浩(中国探测技术首席科学传播专家空)

2月10日，我国首次火星探测任务“田文一号”实施近火捕获刹车“踩刹车”，成为我国第一颗人造火星卫星，实现了“绕、着陆、巡视”的第一步目标。

同时，“田文一号”将对预选着陆区的地形和沙尘天气进行详细勘察，为登陆火星做准备。“田文一号”计划于今年5月至6月登陆火星，并进行巡视探测。

如何在距离地球千里之外的茫茫Tai 空中打“漂”踩“刹车”？里面有很多知识。

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航天器在轨时“踩刹车”有多重要？

田文一号到达火星附近时，其相对速度远远超过了在火星表面的逃逸速度(约5km/s)。如果没有停下来减速，田文一号只能瞥见火星，然后飞向更远的太空[/k0/]，最后被太阳引力拉回来，成为人造小行星。

天问一号大年初四侧手翻

对于高速接近火星的探测器来说，要想被火星引力捕获，就必须在“捕获窗口”对应的轨道弧段准确、独立、可靠地制动减速。

如果“踩刹车”较浅或较晚，“田文一号”将与火星擦肩而过；如果“踩”得过早或过猛，“田文1号”就会撞上火星。

在最早探索火星的时候，各国因为没有掌握“踩刹车”的技术，都是采用“略读”的方式来探索火星。后来技术成熟了，就不再采用这种方式了。

“踩刹车”是我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。由于火星与信息传输距离较远，提前计算好“踩刹车”的时间节点和操作时限。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熄火，克服发动机点火过程中的扰动，实现点火方向和点火持续时间的精确控制。幸运的是，“田文一号”探测器完全靠自己，在10分钟内将速度从28公里/秒降低到约1公里/秒，并被火星成功捕获。

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为什么选择大椭圆轨道环绕火星？

航天器环绕火星最理想的方式是近圆轨道。圆形轨道可以使探测器与火星保持稳定的距离，最大限度地覆盖火星的观测范围，获得理想的科研成果。然而，当田文1号进入火星时，它选择了一个超大型椭圆轨道绕火运行。

选择“田文一号”任务是为了使中国的首次火星探测更加可靠。虽然火星的引力只有地球引力的38%左右，但也不容忽视。如果探测器直接制动切入火星附近的近圆轨道，对制动系统要求极高，需要消耗大量推进剂。为了同时实现绕地、着陆和巡视的目标，“田文一号”轨道飞行器携带了重型着陆器和巡视器。如果整体刹车变慢，推进剂的消耗会进一步增加。

此外，根据后续任务规划，轨道器需要在火星空上长期工作，并定期保持轨道。因此，可以最大限度地节省推进剂，延长周围装置的总工作时间。因此，“田文一号”选择首先进入环绕火星的大椭圆轨道，该轨道距离火点约400公里，周期约为10个地球日，倾角约为10°。

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为什么选择在火点附近刹车，在远火点变轨？

在接下来的两个月里，田文一号将继续在远火点启动推进系统，调整轨道倾角和轨道形状，在近火点多次制动减速。为什么会有这样的安排？

像地球这样的行星在近日点时速度快，在远日点时速度慢。这个规律也适用于火星轨道上的航天器——探测器的速度在近火点处较快，在远火点处较慢。

事实上，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程度和推进系统能力的综合考虑，既能最大限度节省推进剂，又能保证环绕体长期工作状态。

在火点附近减速刹车，可以使“田文一号”相对火星的速度小于火星逃逸速度，从而被引力捕获。“田文一号”的轨道可以通过在火点附近多次减速，由大椭圆逐渐变为小椭圆。

远火点的航天器受重力较小，适合大机动(通过改变探测器当前轨道进入新轨道的轨道控制称为“机动”)。比如在远火点把运行轨道从绕赤道飞行的水平轨道改成绕南北极飞行的“侧手翻”机动就容易多了。

计算表明，“田文一号”在400公里高度的速度约为远火点的48倍，因此在远火点变轨更为经济，可以有效减少推进剂的消耗。

理论上，利用火星稀薄的大气对“田文一号”进行制动减速，也可以进行“空空气制动”，优点是节省推进剂。但这种减速方案需要丰富的经验积累(历史上也有过探测器在火星大气中意外烧毁的案例，比如1998年美国发射的火星气候探测器)；另一方面空气刹往往持续几个月到几年，这种操作需要的时间更长。“田文-1”由于其着陆和巡逻任务，更不适合使用。

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为什么要进入停车轨道？

2月15日，田文一号成功实施平面机动，捕捉轨道远火点:3000牛顿发动机点火后，田文一号实现侧手翻，将轨道调整为经过火星两极的圆形火点轨道，并将近火点高度调整为265公里左右，从而对火星两极进行拍摄，从而在全球范围内完成火星遥感成像任务。接下来，“田文一号”通过几次轨道调整进入火星停泊轨道。

(来源:央视新闻)

停泊轨道是指航天器为了转移到另一个轨道而暂时停留的椭圆(圆形)轨道，也称为驻留轨道。比如地球停泊轨道，是发射月球探测器、载人飞船登月、空探测器和远离地球的人造地球卫星(如地球静止卫星)的一个阶段，用来选择进入过渡轨道的切入点，以弥补地面发射场的固定地理位置，满足过渡轨道的要求。月球、火星等停泊轨道是选择进入轨道的起点，这样才能保证航天器降落在天体表面的指定区域。

是否在Tai 空安排探测器探测的停泊轨道，主要是基于具体的任务要求和可靠性的保证。对于田文一号来说，同时实现多项任务是困难和具有挑战性的。因此，安排停泊轨道将为其转入轨道前全面检查所有航天器系统的可靠性提供最后一次机会，以确保田文一号的着陆器和巡视器最终尽可能精确地降落在火星上的预选区域。

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为什么还要再等三个月田文一号才能着陆？

田文一号于去年7月23日发射L 空，比美国火星探测器“坚持”号早一周。但是“坚持”号于今年2月19日登陆火星，比“田文1号”提前了三个月。为什么田文一号要等这么久才着陆？

迄今为止，美国对火星的探索最多，积累了成熟的技术、丰富的经验和数据。“不屈不挠”号是美国派往火星的第五辆火星车。可以说是“无所不知”。到达火星后直接着陆也不奇怪。