本文来自微信民众号：科学大院（ID：kexuedayuan），原文题目：《为什么“天问一号”必须进入围绕火星大椭圆轨道？》，作者：太空精酿

时隔202天，跨越近5亿千米，2021年2月10日晚间，天问一号制动事情约15分钟后，探测器乐成进入近火点高度约400千米、周期约10个地球日、倾角约10º的围绕火星的大椭圆轨道！这标志着天问一号火星探测义务取得了开端乐成，也开启了星辰征途的下一步。

（图片泉源：中国探月工程）

这次入轨可谓是一次奔火“大考”，整体入轨、超大椭圆轨道……为到火星，天问一号事实有多起劲？

超高难度“绕落巡”一步到位

火星，是人类最想领会的地球邻人之一，在掌握航天技术后的第一时间，人类就开启了火星探测历程。1960年10月到1964年11月，苏美经过了6次延续失败实验后，美国终于乐成发射了人类首颗乐成抵达火星的探测器“水手四号”。

人类探索火星60年，主要包罗四大义务类型，天问一号的义务是庞大度最高的一次。

人类现在有四种火星探测义务示意图（图片泉源：作者绘制）

四大火星探索义务类型主要包罗飞掠、围绕、着陆和巡视。

飞掠：就如“惊鸿一瞥”，航行器只能在火星远处飞掠而过，近距离接触火星时间极其有限。这是人类航天技术尚不成熟时的无奈之举，仅在早期没有能力制动进入环火轨道时使用，现在已经没有专门针对火星举行的飞掠义务了。

围绕：围绕器通过制动减速进入围绕火星轨道。能历久围绕火星举行观察，辅助人类领会火星的磁场、大气、重力场、地形地貌、浅层地表等综合情形。此外，它们还能为下降到火星外面的着陆器和巡视器提供信号中继服务，成为毗邻地球和火星的“宇宙灯塔”。

着陆：直达火星外面，去详细研究火星外面情形，尤其是底层大气情形、气象条件和浅层土壤组成等，这都是“登高望远”的围绕器做不到的。然而，无法自由移动始终是一个的硬伤，由于研究小局限的着陆区域所能获得的科研功效太有限。

巡视：巡视义务需要依赖火星车来完成。火星车携带多种庞大科学仪器，能在火星自由巡视。但它无法自主着陆火星，且受限于能量和天线尺寸问题，除非依赖分外的着陆系统和信号中继系统辅助，否则几乎不可能与地球直接通讯。

着陆器和巡视器要在3个月左右才会执行火星着陆义务（图片泉源：国家航天局）

考虑到差别义务的执行难度，一样平常情形下，都市选择离开执行围绕着陆、巡视义务。纵然这样，失败的实验也不在少数。

而天问一号，将一次同时实现“围绕”、“着陆”和“巡视”3项义务，“绕落巡”一步到位！

难题水平不言而喻。且巡视重视达240千克，着陆器不仅服务着陆历程，还要有一定装载传感器和通讯设备的空间，可以说天问一号是人类探测火星工程技术庞大度之最。

面临高难度，强载重的挑战，天问一号若何乐成完成了第一大义务——“绕”？

失毫厘谬千里，整体入轨是最佳方案

执行第一大义务的围绕器集中了整个探测器的推进系统、能源系统、通讯系统、导航制导与控制等焦点系统，是整个义务成败的要害。只有延续举行1次深空灵活和4次轨道修正，才气保证天问一号始终航行在理想的轨迹上，最终和火星准期相遇。

2020年10月1日天问一号星散丈量传感器完成的“自拍”（图片泉源：国家航天局）

与火星乐成相遇，指的是冲进火星的引力影响局限。太阳占有了太阳系总质量的99%以上，是太阳系内的引力中央，它会把火星等行星的引力影响局限约束在一个界说为“希尔球”的空间内。

理论上，火星的希尔球半径约为100万千米，至少在内部三分之一的位置，探测器才气历久稳固围绕轨道。也就是说，天问一号至少要冲进这个局限。固然，现实情形下需要到达更近的距离，它需要冲到距离火星外面仅有几百千米的位置最先制动。

进入火星引力影响局限只是最先。若是以火星为参照，天问一号的相对速度会跨越从火星外面永远逃离的逃逸速度（约5千米/秒）。若是不制动减速，天问一号只能完成对火星的 “惊鸿一瞥”，随即在火星引力作用下改变轨道，飞入更远的太空，最终被太阳引力重新拉回，成为一颗人造“小行星”，与火星和地球再无交集。由此可见，最佳入轨方案的选择是远征火星的重中之重！

从详细工程实践角度看，着陆器和巡视器的目的并非围绕火星，它们完全可以不追随围绕器而直接下降火星。理论上，在近火星上空，天问一号的着陆器携带巡视器马上星散，围绕器可以单独进入围绕火星轨道，这样对围绕器的要求将大幅降低。这也是苏联火星2号/3号，欧洲火星快车/小猎犬2号、微量气体探测器/斯基亚帕雷利号曾经接纳的方案。

然则这种方案有个很大的不足：容错空间极小。

中国对火星的认知还很少，火星着陆区域尚无实地勘查，且没有已经稳固运行在火星上空的围绕器做信号中继服务。另一方面，火星大气稀薄，地形地貌庞大，整个着陆历程仅有约7分钟的时间，但地球、火星间约1.9亿千米的双向通讯有长达21分钟左右的时延，这意味着整个星散着陆历程探测器将完全失去地面测控支持。

这一方案就像“刀尖上起舞”，存在很大风险。事实上，上述提到的几个义务中，除了火星3号的着陆器乐成着陆，事情了十几秒之外，其余着陆器均以失败了结。

维京一号和二号都接纳了整体进入围绕火星轨道、后续择机着陆的方案（图片泉源：NASA）

为将后续风险降至最小，天问一号接纳了围绕器携带整体进入围绕火星轨道的方案。这样虽然会给围绕器带来更大的事情压力，但留给着陆器和巡视器自由选择着陆窗口的空间更大，后续义务将从容许多。

20世纪最著名的维京一号和维京二号探测器就接纳的这种方案，它们抵达火星后整体进入围绕火星轨道，在一个多月后着陆器才择机星散、着陆火星，作育了一个时代的火星探测传奇。

出最少的力，杀青最优的效果

天问一号乐成进入的是一个超大的环火椭圆轨道，甩掉了最理想的围绕火星方式，这又是为何呢？

先说最理想的围绕火星方式，实在就是保持近圆极地轨道，这样能够相对火星保持稳固的距离，最大限度笼罩对火星的观察局限，获得理想的科研效果。然而，火星虽小，但依然不容忽视，火星引力约为地球引力的38%，探测器在它四周举行灵活操作受仍会受到较大影响。直接制动切入围绕火星的圆轨道对于制动系统要求极高，往往需要消耗掉巨量的推进剂，甚至远远跨越探测器和运载火箭的能力。

在二月初距离火星约220万千米时，天问一号已经拍下了火星的美图（图片泉源：国家航天局）

要知道，火星探测器的推进剂都是无比名贵的。对于天问一号而言，每一滴推进剂，都是重达870吨的长征五号火箭深空航行近7个月才送抵火星的功效。围绕器还需要携带繁重的着陆器和巡视器整体制动减速，推进剂的消耗量进一步上升。而且根据后续的义务计划，围绕器需要历久在火星上空事情，并定期举行轨道维持。最大限度节约推进剂，延伸围绕器的总事情时间，对于天问一号的工程和科学产出有着重大意义。

因此，天问一号会整体在近火点四周减速，首先进入近火点约400千米、周期约10个地球日、倾角约10º的围绕火星大椭圆轨道。在随后的2个月内，它还会多次在远火点启动，推进系统调整轨道倾角和轨道形状，将远火点降低到数万千米高。

近火点制动减速，远火点调整轨道倾角，这样的轨道设计是基于探测义务工程庞大度和推进系统能力的综合考量，能最大限度节约推进剂、确保围绕器的恒久事情状态，维京系列义务曾经的轨道设计方案也是这个思绪。

对于单独的围绕器义务而言，也可以行使火星稀薄大气举行空气刹车以节约推进剂，不外这一方面需要厚实的履历积累，历史上也泛起过不小心焚毁在火星大气的案例（1988年发射的火星天气探测器），另一方面空气刹车往往连续数月到数年，并不适合本次义务就不再赘述。

配合期待高光时刻

在未来的2-3个月内，围绕器会开启7个科研有效载荷，认真勘探待选火星着陆地址，与地面时刻相同相关信息，逐渐调整轨道到最佳着陆窗口。等到窗口来临之时，着陆器和巡视器的结合体将马上星散，冲进火星大气，正式开启天问一号义务周期内最大挑战、也最为高光的“恐怖七分钟”时刻。

天问一号巡视器即将驶到火星外面艺术效果图（图片泉源：国家航天局）

火星探索的征途，无疑是披荆斩棘之路，入轨只是一次“大考”。火星探测的路上，天问一号还要履历多次磨练，让我们配合期待它后续的高光时刻！

本文由科普中国融合创作出品，太空精酿制作，中国科学院计算机网络信息中央监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方行使信息化手段开展科学流传的科学权威品牌。

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