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“天問一號”為什么要進入“停泊軌道”?
來源: 國家航天局         發布時間:2021-04-22

2021年2月24日,中國首次火星探測任務“天問一號”探測器在成功實施第三次近火制動后,進入近火點280千米、遠火點5.9萬千米、周期2個火星日的火星停泊軌道,預計將在這條軌道穩定運行3個月左右。那么,停泊軌道到底是什么?

停泊軌道:航天器短暫停留,更好過渡

停泊軌道并不是航天器最終飛行軌道,它是一條讓航天器在發射后駐留,以便擇機進行軌道轉移的中間過渡軌道。當然,地球有地球的停泊軌道,火星有火星的停泊軌道。

任何一個航天器都有最佳發射窗口,火箭在準備時要盡力抓住這個寶貴的機會執行航天發射任務。但受限于航天發射場的地理位置或最佳窗口過于狹窄等因素,即便抓住窗口后航天器依然很難一次性進入目標軌道,必須依賴停泊軌道進行過渡。

人類絕大部分航天發射場都處于北半球中低緯度區域,和地球赤道上空的靜止軌道(緯度為0度,高度為35786千米)存在較大差距,很難直接進入理想軌道,需要火箭和航天器不斷在近地點、遠地點調整軌道傾角和軌道高度,需要數個軌道進行過渡;對于載人航天交會對接任務亦是如此,發射后載人飛船立即與目標空間站對接要求的發射窗口僅為1秒左右,這對于確保載人任務成功率是個極大的挑戰,而采用發射后先不對接、逐漸調整軌道的方式更為理想,能大幅擴展對接窗口時間寬度。因此,火箭發射后航天員往往需要兩天時間用于“停泊”,等待最佳時機。

深空探測領域亦是如此。這種任務往往耗時不菲、代價巨大,為了最大限度確保任務成功率,采用停泊軌道進行過渡是很常見的步驟。嫦娥探月、天問探火,皆是如此。

早在“嫦娥一號”任務時,停泊軌道就已經運用

停泊軌道的英文術語是Parking Orbit,或許用停車(Parking)作為類比說明更為直觀:瞄準目標停車位后,預選一條行車軌跡(停泊軌道),期間“眼觀四路、耳聽八方”,邊走邊調,入庫的成功率會大大增加。

駐留期間:詳細勘探,伺機著陸火星

“天問一號”是中國首次火星探測任務,也是個高度復雜的任務,將一次性實現火星環繞、著陸和巡視三大工程目標,以及通過13臺科學儀器對火星進行全方位科研,任務整體難度巨大。此前中國對火星的詳細了解有限,目標著陸區域的最新地形地貌和氣象條件等也可能相對科研成果有一定出入,著陸器/巡視器組合體也必須依賴穩定運行的環繞器才能成功。因而,入軌火星后必須采取分步走的策略。

“天問一號”于2月10日近火制動、成功進入了周期約10個地球日的低傾角大橢圓環火軌道,隨后于2月15日遠火點機動調整軌道傾角,成功進入了能探測火星全球的高傾角橢圓環火軌道,然后就是本次進入停泊軌道的操作,多個操作確保了環繞器的穩定運行和后續的對火觀測。

3月4日,國家航天局正式公布首批“天問一號”拍攝的全色圖像,分辨率約0.7米,成像區域內火星表面小型環形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可見

在目前的停泊軌道駐留階段,環繞器的7臺載荷已經全部開機進行初步的科學探測,實現地球和火星之間的穩定通信,為未來著陸火星的巡視器提供信號中繼服務。每隔兩天時間,它抵達一次近火點,距離火星僅280千米左右,載荷中的中分辨率相機、高分辨率相機、光譜儀等將對烏托邦平原南部等低緯度預選著陸區域的地形地貌、沙塵天氣等進行詳查,評估火星環境和著陸時機可行性。

在經過3個月左右的詳細勘察后,環繞器將進行一定軌道調整并與著陸器/巡視器組合體擇機分離,后者開始獨立的約7分鐘火星著陸過程。由于火星和地球之間的漫長距離導致幾十分鐘通信時延,航天人不可能控制著陸過程,而必須讓著陸器全自主完成這“黑色七分鐘”旅程。

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