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“天问一号”为什么要进入“停泊轨道”?
[ 发布时间:2021-03-18 ]   [ 信息来源: 中国的航天 ]  [ 字号: ]

  2021年2月24日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在成功实施第三次近火制动后,进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期2个火星日的火星停泊轨道,预计将在这条轨道稳定运行3个月左右。那么,停泊轨道到底是什么?



  停泊轨道:航天器短暂停留,更好过渡


  停泊轨道并不是航天器最终飞行轨道,它是一条让航天器在发射后驻留,以便择机进行轨道转移的中间过渡轨道。当然,地球有地球的停泊轨道,火星有火星的停泊轨道。


  任何一个航天器都有最佳发射窗口,火箭在准备时要尽力抓住这个宝贵的机会执行航天发射任务。但受限于航天发射场的地理位置或最佳窗口过于狭窄等因素,即便抓住窗口后航天器依然很难一次性进入目标轨道,必须依赖停泊轨道进行过渡。


  人类绝大部分航天发射场都处于北半球中低纬度区域,和地球赤道上空的静止轨道(纬度为0度,高度为35786千米)存在较大差距,很难直接进入理想轨道,需要火箭和航天器不断在近地点、远地点调整轨道倾角和轨道高度,需要数个轨道进行过渡;对于载人航天交会对接任务亦是如此,发射后载人飞船立即与目标空间站对接要求的发射窗口仅为1秒左右,这对于确保载人任务成功率是个极大的挑战,而采用发射后先不对接、逐渐调整轨道的方式更为理想,能大幅扩展对接窗口时间宽度。因此,火箭发射后航天员往往需要两天时间用于“停泊”,等待最佳时机。


  深空探测领域亦是如此。这种任务往往耗时不菲、代价巨大,为了最大限度确保任务成功率,采用停泊轨道进行过渡是很常见的步骤。嫦娥探月、天问探火,皆是如此。


  早在“嫦娥一号”任务时,停泊轨道就已经运用


  停泊轨道的英文术语是Parking Orbit,或许用停车(Parking)作为类比说明更为直观:瞄准目标停车位后,预选一条行车轨迹(停泊轨道),期间“眼观四路、耳听八方”,边走边调,入库的成功率会大大增加。


  驻留期间:详细勘探,伺机着陆火星


  “天问一号”是中国首次火星探测任务,也是个高度复杂的任务,将一次性实现火星环绕、着陆和巡视三大工程目标,以及通过13台科学仪器对火星进行全方位科研,任务整体难度巨大。此前中国对火星的详细了解有限,目标着陆区域的最新地形地貌和气象条件等也可能相对科研成果有一定出入,着陆器/巡视器组合体也必须依赖稳定运行的环绕器才能成功。因而,入轨火星后必须采取分步走的策略。


  “天问一号”于2月10日近火制动、成功进入了周期约10个地球日的低倾角大椭圆环火轨道,随后于2月15日远火点机动调整轨道倾角,成功进入了能探测火星全球的高倾角椭圆环火轨道,然后就是本次进入停泊轨道的操作,多个操作确保了环绕器的稳定运行和后续的对火观测。


  3月4日,国家航天局正式公布首批“天问一号”拍摄的全色图像,分辨率约0.7米,成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见


  在目前的停泊轨道驻留阶段,环绕器的7台载荷已经全部开机进行初步的科学探测,实现地球和火星之间的稳定通信,为未来着陆火星的巡视器提供信号中继服务。每隔两天时间,它抵达一次近火点,距离火星仅280千米左右,载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等将对乌托邦平原南部等低纬度预选着陆区域的地形地貌、沙尘天气等进行详查,评估火星环境和着陆时机可行性。


  在经过3个月左右的详细勘察后,环绕器将进行一定轨道调整并与着陆器/巡视器组合体择机分离,后者开始独立的约7分钟火星着陆过程。由于火星和地球之间的漫长距离导致几十分钟通信时延,航天人不可能控制着陆过程,而必须让着陆器全自主完成这“黑色七分钟”旅程。

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