“天問一號”成功進入環火軌道 揭秘“火星之旅”新看點

中新網上海2月10日電 (郭超凱 鄭瑩瑩)伴隨着天問一號火星探測器成功“剎車”，進入環繞火星軌道，中國首次自主火星探測任務“繞、落、巡”三大目標中的環繞目標順利達成。從整體來看，此次“火星之旅”有幾大看點：

效果圖 中國航天科技集團八院 供圖

“説走就走”的旅行？不，沒那麼簡單

這次“天問一號”成功剎車進入環繞火星軌道，意義重大，因為“火星旅行”可不是説走就能走的。要出發，需要高達70km/s(公里每秒)的逃逸速度，而目前運載火箭所能提供的最大逃逸速度僅為15km/s左右。

為了儘量節省能量，我們要等待地球與火星公轉到特定的相對位置時發射火星探測器。根據公轉週期計算，地球與火星的交會週期為約778天(即約26個月)，也就是説地球與火星每隔26個月才會出現一次“發射窗口”(每次窗口約持續20天)，一旦錯過一次“發射窗口”，就只能等下一次了。因此，2020年計劃中的火星探測任務中，除了中國的天問一號火星探測器，還有美國的“毅力”號火星車，以及當地時間2月9日剛宣佈成功進入火星軌道的阿聯酋“希望”號火星探測器。

離不開“豬排”的“星際高速公路”

根據2020年的發射窗口，中國航天科技集團研製團隊完成了地球至火星的轉移軌道設計，為探測器量身定製了一條通往火星的“星際高速公路”。

説到“地-火轉移軌道設計”，不能不説到“Pork-Chop”(豬排)。設計師們在進行行星際探測軌道設計時，會針對不同發射日期與到達日期，繪製所需要發射能量的等高線圖，這張等高線圖酷似兩塊豬排，“Pork-Chop”之名由此在業內叫開。

為了儘可能讓火星探測器多帶點儀器設備，對火星一次看個夠，軌道設計師們需要找到一條最省能量的地火轉移軌道。為此，設計師們首先要將複雜的地火轉移軌道設計簡化為一個“地球+火星”的二體引力模型，通過求解該模型，得到窗口中每一對發射與到達日期所需要的能量，從而繪製出發射能量等高線“豬排”。然後，以“豬排”圖上選定的日期作為初值，採用微分修正等數學方法，在一定精度的火星探測軌道動力學模型中經過迭代計算，得到用於飛行任務使用的“地-火轉移軌道設計”結果。

一氣呵成的高難度“跳水”

在成功“剎車”進入環繞火星軌道後，環繞器數月後還將實施“火星之旅”的另一項關鍵動作——器器分離。

在約3個小時的時間內，環繞器需要變軌到危險的撞擊火星軌道，建立並保持着陸器進入火星大氣所需要的姿態(姿態誤差小於0.01度)。在預定分離時刻，環繞器與着陸器必須完成分離，經過安全距離飄飛過程後，環繞器需要迅速完成推力加速，以回到安全的環繞火星軌道。

形象地説，環繞器猶如一名優秀的跳水運動員，要完成一次空中高難度的翻騰和時間精準的入水。並且，環繞器這一系列姿態機動“翻騰”和器器分離“入水”動作必須一氣呵成。“入水”太早，難以保證着陸器進入精度，“入水”太晚，則會造成環繞器撞擊火星的風險，這組“超難度動作”還需要在沒有地面實時測控支持的情況下自主完成。據悉，研製團隊仔細考量分離過程的潛在風險，已設計了姿態測量、速度計算、推力輸出等各因素出現故障情況下的自主處置預案。(完)