火星|揭秘｜我国“天问一号”即将抵达火星轨道背后…… 根据国家航天局近日公布的消

根据国家航天局近日公布的消息，我国2020年7月23日发射的火星探测器“天问一号”经过漫漫长路飞行，计划于2月10日左右抵达火星轨道。 “天问一号”这一路走来的过程是怎样的？需要面对哪些挑战？后续任务计划如何？我们约请中国科学院文献情报中心“空间光电与重大科研设施”团队情报咨询师郭世杰和读者进行简要解读。

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“天问一号”在宇宙中的“自拍照” 。
问：为什么“天问一号”和阿联酋、美国探测器发射和抵达火星的时间如此接近?
答：很多读者已经注意到， 2020年除了我国之外，还有别的国家在很相近的时间内开展了2个火星探测任务，一是阿联酋的“希望”号（2020年7月20日由日本火箭发射），二是美国的“毅力”号（2020年7月30日发射），它们的发射日期都与“天问一号”相差不到10天。不仅如此，三个探测器抵达火星轨道的日期也十分接近（“希望”号和“毅力”号抵达火星轨道的日期分别在2021年2月9日、2月18日左右）。之所以出现这种“巧合” ，是因为世界各国都争相利用了探测火星的“时间窗口” 。
众所周知，火星与地球都在围绕太阳进行公转，却拥有不同的公转周期（地球是365天，火星则是687天），因此两个星球之间的距离是时大时小的，最近的交会距离每780天（相当于26个月左右）才发生一次。距离最遥远的时候，火星和地球位于太阳的两边，相距4亿公里之远；距离最近的时候，火星和地球位于太阳的同一边，两者相距最近可以达到五六千万公里左右（即便是这一距离，也相当于地球和月球平均距离的100倍以上，用光速也需要好几分钟才能走完）。更加复杂的是，由于火星和地球运行轨迹都是椭圆，且偏心率不同，所以每次火星和地球“交会”时的距离也不尽相同；交会距离最短的时机会每隔15年至17年出现一次，此时的天文现象被称为“火星大冲” 。
由于世界各国都在争相开展火星探测行动，因此各国不可能去等十几年才发生一次的“火星大冲”时机，而是利用每26个月左右出现一次的时间窗口来发射火星探测器。此外，由于探测器从发射到进入火星轨道还需要耗费至少几个月时间，因此探测器到底应该提前多久从地球“出发” ，也需要非常精确地进行推算，这样才能让探测器在有限的燃料、有限的变轨次数条件下，在火星距离地球比较近的时机“切入”火星轨道。如果发射得过晚，就可能在探测器耗尽燃料时，火星已经运转过了最接近地球的位置，导致探测器“追不上”火星；如果发射得过早，就可能导致探测器抵达交会位置时，火星“还没有到” ，导致探测器提前飞越过了目标，进入茫茫的星辰大海。
问：“天问一号”从发射到进入火星轨道要经历哪些阶段？
答：为了降低轨道计算复杂性和技术实施难度，历史上各国的火星探测任务大都采用“霍曼转移轨道”来规划飞行路径，我国的“天问一号”也不例外。这种轨道所需的变轨次数最少，具有耗时短、操作简单等优点，基本过程包括三个阶段：
第一阶段，火星探测器从地球出发，在近地轨道加速，直到达到能够脱离地球引力的第二宇宙速度。在这一阶段，可以简化地认为探测器主要受地球引力作用，轨迹相对于地球是双曲线形状，可采用“地心惯性坐标系”来计算和模拟探测器运动过程；第二阶段，探测器逃离地球引力后、进入火星引力影响范围之前，可以简化地认为该探测器仅受太阳引力作用，其运动轨迹相对于太阳是椭圆，可采用“日心惯性坐标系”模拟计算其运动过程；第三阶段，探测器进入火星引力影响范围，可简化地认为它只受到火星的引力作用，其轨迹相对于火星是双曲线或椭圆，可采用“火星惯性坐标系”模拟计算其运动过程。最后，采用“圆锥曲线拼接法”将这3个阶段的轨道拼接起来，就可以得到从地球飞向火星的大致轨道。在不同阶段之间，探测器通过加速/减速实现轨道的转移，就是所谓的变轨过程。当然，在同一阶段中间也可以进行探测器速度方向和大小的调整，例如2020年10月9日， “天问一号”主发动机点火工作了约480秒，成功完成了“深空机动” ，这实际上就是在第二阶段中，为了使“天问一号”的运动轨迹与黄道面的夹角有所抬升，追上“飞得更高”的火星，所以主动改变探测器速度方向的过程。