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为什么天问一号入轨火星后要来一个“侧空翻”?

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  2021年2月10日19时52分,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10度的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标,环绕火星获得成功。


  到了2月15日17时,天问一号成功实施捕获轨道远火点平面机动,将轨道调整为经过火星两极的环火轨道,并将近火点高度调整至约265千米。

  可以明显看出,天问一号从低倾角(相对于火星赤道平面约10度)的轨道进入了极轨道(经过两极的轨道倾角为90度),完美完成了一次“侧空翻”,从“横着飞”变成了“纵向飞”,那为什么需要这么一个机动操作呢?

  一、低倾角入轨确保成功率和理想近火点纬度

  太阳占据了太阳系超过99%的质量,是绝对引力核心,牢牢束缚住各大行星,它们的公转平面也因此基本接近,例如地球和火星环绕太阳的轨道平面倾角仅相差约1.9度。脱离地球引力后,天问一号也基本在这个“近似二维平面”内运动,完成202天、约4.75亿千米的地火转移旅程。火星本身自转轴倾角约25.2度,这也是它的赤道相对于围绕太阳公转轨道面的角度。火星引力和影响范围远大于月球等小型天体,抵达火星后进入较低倾角的轨道是在较强引力摄动环境下的较高成功率方案。

  抵近火星后,天问一号最重要的事情是完成近火点制动,否则将因为相对火星速度过大永久错过火星,这也是整个任务消耗最多推进剂的一次操作,最终进入近火点约400千米、远火点约180000千米的超大椭圆轨道,最大限度节约了推进剂。与此同时,近火制动的位置也决定了短期内环绕火星轨道的近火点纬度。


  乌托邦平原所处位置和天问一号首选着陆区

  天问一号要在一次任务中完成“绕、着、巡”三大火星探测方式,其中“绕”是“着”和“巡”的基础,否则着陆器和巡视器组合体将缺乏信号中继服务,几乎不可能跟地球联系。天问一号也是中国首次火星探测,我们对火星着陆目标区域的了解还极其有限,尤其是它在近期的气象条件、地形地貌细节等,有必要保证天问一号整体入轨后有充足的机会利用环绕器携带的高分辨率相机等仪器对其细致观测。天问一号的首选着陆区域是位于火星北半球的乌托邦平原南端,备选地点为该平原东南部,整体纬度约在5-25度之间,目前轨道的近火点纬度比较适合详细观测这些区域。

  而如果近火制动直接进入极轨道,不仅工程任务难度加大,还会导致近火点纬度过高,不适合勘察目标着陆区域,通过后续机动的方式调整近火点纬度将消耗大量推进剂,性价比很低。

  二、为什么必须把轨道立起来?怎么立?

  低倾角轨道也有明显的缺点:对火星的观测范围非常有限。它的星下点轨迹(环绕轨道在火星表面上的投影)只能在火星赤道南北纬10度以内,即便考虑了各类仪器的可勘探范围,也无法全面勘探火星,例如很难观测到南北极冠区域,这不符合环绕器对火星全面勘探的科学目标。此外,着陆器和巡视器自身缺乏变轨能力,低倾角轨道基本将它们的着陆可能性锁定在了星下点轨迹的区域。


  10度轨道倾角的星下点覆盖区域为两根红线包括的区域,可以看到实际空间非常有限(图片来源:NASA)

  因此,必须让环绕器的轨道立起来,进入飞过火星南北极冠区域的极轨道。随着火星的自转,环绕器能通过长期工作获得火星的全面情况,尤其是有着较大科学研究意义的极冠区域,也给着陆器和巡视器选择更大着陆区域的空间。




  火星北极(左)和南极(右)覆盖有随季节周期性变化的水冰和干冰组成的极冠,对它们的观测是火星任务研究核心之一(动图来源:NASA/JPL)

  天问一号的任何一次机动都会消耗宝贵的推进剂,推进剂的余量也直接决定了未来环绕器的工作时间、甚至整个任务的成败。而改变轨道倾角是航天器最消耗推进剂的机动之一,消耗量与所需要的速度变化量正相关,也跟调整瞬间的航天器速度正相关。即航天器速度越快时,调整轨道倾角的推进剂消耗量越大。

  这个原理可以类比于汽车确定要拐弯90度:如果在高速公路驾驶车速较快时,需要非常大的转弯半径和油耗,危险系数也很高;而如果在泊进停车位速度较慢时,往往较小的物理空间和油耗就够,危险系数低很多。

  再补充一个小知识:对于任何一个航天器而言,它的运动过程可以视作重力势能与动能互相转换的过程。当航天器距离天体越近,重力势能越小,动能就会越大,速度就越大。例如,神舟飞船飞在距离地球400千米高,速度可以达到7.7千米/秒,而飞在36000千米高的北斗导航卫星速度就仅为3.1千米/秒。

  读到这里,相信读者们已经自己给出了答案:这次轨道倾角调整,就应该选在距离火星最远的点!远火点达到约180000千米,速度很小、很适合改变倾角。大家甚至可以推断应该在近火制动后第5天、首个轨道运行恰好一半抵达远火点时开始机动!


  天问一号变轨效果模拟图

  如此轨道倾角调整并不会影响近火点纬度,依然可以保证对火星预选着陆区的有效勘察。这次机动还把近火点的高度进一步降低为265千米,让中、高分辨率相机等的工作环境更为理想。

  综上,天问一号首先近火制动进入超大椭圆初始轨道、在远火点大幅调整轨道倾角为极轨道的综合策略,是综合考虑了入轨成功率和工程难度、节约推进剂和获得最优着陆区域观察机会的方案。天问一号未来还会调整轨道,降低远火点高度、缩短环绕周期。在着陆器和巡视器分离后,环绕器长期保持稳定的科学观测轨道,为我们带来更多关于火星的奥秘。

  这个“侧空翻”的背后,是航天人最强大脑的“中国式招数”。

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