爲什麼天問一號必須進入環繞火星大橢圓軌道？

出品：科普中國

製作：太空精釀

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

時隔202天，跨越近5億千米，2021年2月10日晚間，天問一號制動工作約15分鐘後，探測器成功進入近火點高度約400千米、週期約10個地球日、傾角約10的環繞火星的大橢圓軌道！這標誌着天問一號火星探測任務取得了初步成功，也開啓了星辰征途的下一步。

圖片來源：中國探月工程

這次入軌可謂是一次奔火“大考”，整體入軌、超大橢圓軌道……爲到火星，天問一號究竟有多努力？

超高難度“繞落巡”一步到位

火星，是人類最想了解的地球鄰居之一，在掌握航天技術後的第一時間，人類就開啓了火星探測歷程。1960年10月到1964年11月，蘇美經過了6次連續失敗嘗試後，美國終於成功發射了人類首顆成功抵達火星的探測器“水手四號”。

人類探索火星60年，主要包括四大任務類型，天問一號的任務是複雜度最高的一次。

人類目前有四種火星探測任務示意圖（圖片來源：作者繪製）

四大火星探索任務類型主要包括飛掠、環繞、着陸和巡視。

飛掠：就如“驚鴻一瞥”，飛行器只能在火星遠處飛掠而過，近距離接觸火星時間極其有限。這是人類航天技術尚不成熟時的無奈之舉，僅在早期沒有能力制動進入環火軌道時使用，如今已經沒有專門針對火星進行的飛掠任務了。

環繞：環繞器通過制動減速進入環繞火星軌道。能長期環繞火星進行觀測，幫助人類瞭解火星的磁場、大氣、重力場、地形地貌、淺層地表等綜合情況。此外，它們還能爲降落到火星表面的着陸器和巡視器提供信號中繼服務，成爲連接地球和火星的“宇宙燈塔”。

着陸：直達火星表面，去詳細研究火星表面情況，尤其是底層大氣情況、氣象條件和淺層土壤構成等，這都是“登高望遠”的環繞器做不到的。然而，無法自由移動始終是一個的硬傷，因爲研究小範圍的着陸區域所能獲得的科研成果太有限。

巡視：巡視任務需要依賴火星車來完成。火星車攜帶多種複雜科學儀器，能在火星自由巡視。但它無法自主着陸火星，且受限於能量和天線尺寸問題，除非依賴額外的着陸系統和信號中繼系統輔助，否則幾乎不可能與地球直接通信。

着陸器和巡視器要在3個月左右纔會執行火星着陸任務（圖片來源：國家航天局）

考慮到不同任務的執行難度，一般情況下，都會選擇分開執行環繞着陸、巡視任務。即使這樣，失敗的嘗試也不在少數。

而天問一號，將一次同時實現“環繞”、“着陸”和“巡視”3項任務，“繞落巡”一步到位！

困難程度不言而喻。且巡視器重達240千克，着陸器不僅服務着陸過程，還要有一定裝載傳感器和通信設備的空間，可以說天問一號是人類探測火星工程技術複雜度之最。

面對高難度，強載重的挑戰，天問一號如何成功完成了第一大任務——“繞”？

失毫釐謬千里，整體入軌是最佳方案

執行第一大任務的環繞器集中了整個探測器的推進系統、能源系統、通信系統、導航制導與控制等核心系統，是整個任務成敗的關鍵。只有連續進行1次深空機動和4次軌道修正，才能保證天問一號始終飛行在理想的軌跡上，最終和火星如期相遇。

2020年10月1日天問一號分離測量傳感器完成的“自拍”（圖片來源：國家航天局）

與火星成功相遇，指的是衝進火星的引力影響範圍。太陽佔據了太陽系總質量的99%以上，是太陽系內的引力中心，它會把火星等行星的引力影響範圍約束在一個定義爲“希爾球”的空間內。

理論上，火星的希爾球半徑約爲100萬千米，至少在內部三分之一的位置，探測器才能長期穩定環繞軌道。也就是說，天問一號至少要衝進這個範圍。當然，實際情況下需要達到更近的距離，它需要衝到距離火星表面僅有幾百千米的位置開始制動。

進入火星引力影響範圍只是開始。如果以火星爲參照，天問一號的相對速度會超過從火星表面永遠逃離的逃逸速度（約5千米/秒）。如果不制動減速，天問一號只能完成對火星的 “驚鴻一瞥”，隨即在火星引力作用下改變軌道，飛入更遠的太空，最終被太陽引力重新拉回，成爲一顆人造“小行星”，與火星和地球再無交集。由此可見，最佳入軌方案的選擇是遠征火星的重中之重！

從具體工程實踐角度看，着陸器和巡視器的目標並非環繞火星，它們完全可以不跟隨環繞器而直接降落火星。理論上，在近火星上空，天問一號的着陸器攜帶巡視器立即分離，環繞器可以單獨進入環繞火星軌道，這樣對環繞器的要求將大幅降低。這也是蘇聯火星2號/3號，歐洲火星快車/小獵犬2號、微量氣體探測器/斯基亞帕雷利號曾經採取的方案。

但是這種方案有個很大的不足：容錯空間極小。

中國對火星的認知還很少，火星着陸區域尚無實地勘查，且沒有已經穩定運行在火星上空的環繞器做信號中繼服務。另一方面，火星大氣稀薄，地形地貌複雜，整個着陸過程僅有約7分鐘的時間，但目前地球、火星間約1.9億千米的雙向通信有長達21分鐘左右的時延，這意味着整個分離着陸過程探測器將完全失去地面測控支持。這一方案就像“刀尖上起舞”，存在很大風險。事實上，上述提到的幾個任務中，除了火星3號的着陸器成功着陸，工作了十幾秒之外，其餘着陸器均以失敗告終。

維京一號和二號都採取了整體進入環繞火星軌道、後續擇機着陸的方案（圖片來源：NASA）

爲將後續風險降至最小，天問一號採取了環繞器攜帶整體進入環繞火星軌道的方案。這樣雖然會給環繞器帶來更大的工作壓力，但留給着陸器和巡視器自由選擇着陸窗口的空間更大，後續任務將從容很多。

20世紀最著名的維京一號和維京二號探測器就採取的這種方案，它們抵達火星後整體進入環繞火星軌道，在一個多月後着陸器才擇機分離、着陸火星，造就了一個時代的火星探測傳奇。

進入超大環繞火星橢圓軌道等待着陸時機/備選：出最少的力，達成最優的效果

天問一號成功進入的是一個超大的環火橢圓軌道，拋棄了最理想的環繞火星方式，這又是爲何呢？

先說最理想的環繞火星方式，其實就是保持近圓極地軌道，這樣能夠相對火星保持穩定的距離，最大限度覆蓋對火星的觀測範圍，獲得理想的科研結果。然而，火星雖小，但依然不容忽視，火星引力約爲地球引力的38%，探測器在它附近進行機動操作受仍會受到較大影響。直接制動切入環繞火星的圓軌道對於制動系統要求極高，往往需要消耗掉巨量的推進劑，甚至遠遠超過探測器和運載火箭的能力。

在二月初距離火星約220萬千米時，天問一號已經拍下了火星的美圖（圖片來源：國家航天局）

要知道，火星探測器的推進劑都是無比寶貴的。對於天問一號而言，每一滴推進劑，都是用重達870噸的長征五號火箭發射後，又自身深空飛行7個月才送抵火星的成果。環繞器還需要攜帶沉重的着陸器和巡視器整體制動減速，推進劑的消耗量進一步上升。而且按照後續的任務規劃，環繞器需要長期在火星上空工作，並定期進行軌道維持。最大限度節省推進劑，延長環繞器的總工作時間，對於天問一號的工程和科學產出有着重大意義。

因此，天問一號會整體在近火點附近減速，首先進入近火點約400千米、週期約10個地球日、傾角約10的環繞火星大橢圓軌道。在隨後的2個月內，它還會在遠火點啓動，推進系統調整軌道傾角和軌道形狀，並在近火點多次工作將遠火點降低到數萬千米高。

近火點制動減速，遠火點調整軌道傾角，這樣的軌道設計是基於探測任務工程複雜度和推進系統能力的綜合考量，能最大限度節約推進劑、確保環繞器的長久工作狀態，維京系列任務曾經的軌道設計方案也是這個思路。

對於單獨的環繞器任務而言，也可以利用火星稀薄大氣進行空氣剎車以節約推進劑，不過這一方面需要豐富的經驗積累，歷史上也出現過不小心焚燬在火星大氣的案例（1998年發射的火星氣候探測器），另一方面空氣剎車往往持續數月到數年，並不適合本次任務就不再贅述。

共同期待高光時刻

在未來的2-3個月內，環繞器會開啓7個科研有效載荷，認真勘察待選火星着陸地點，與地面時刻溝通相關信息，逐漸調整軌道到最佳着陸窗口。等到窗口來臨之時，着陸器和巡視器的結合體將立刻分離，衝進火星大氣，正式開啓天問一號任務週期內最大挑戰、也最爲高光的“恐怖七分鐘”時刻。