在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的火星停泊軌道運(yùn)行探測(cè)后，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器5月15日穩(wěn)穩(wěn)降落在火星烏托邦平原南部的預(yù)選著陸區(qū)，邁出了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步。

著陸巡視器與環(huán)繞器兩器分離效果圖  本文圖片均來(lái)自中國(guó)航天科技集團(tuán)

時(shí)間撥回到2021年2月15日17時(shí)，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器運(yùn)行至遠(yuǎn)火點(diǎn)，實(shí)施遠(yuǎn)火點(diǎn)軌道機(jī)動(dòng)，3000N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，將環(huán)火軌道從傾角10度的大橢圓軌道調(diào)整為火星極軌大橢圓軌道（軌道傾角約86度），并將近火點(diǎn)高度調(diào)整至約280公里；2021年2月20日20時(shí)，探測(cè)器實(shí)施第二次近火制動(dòng)，進(jìn)入周期約為3.5天的停泊調(diào)相軌道；2021年2月24日6時(shí)，探測(cè)器實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入近火點(diǎn)高度280公里，遠(yuǎn)火點(diǎn)高度57000公里，周期為49.2小時(shí)（約2個(gè)火星日）的停泊軌道。

在落火前，天問(wèn)一號(hào)為何要在火星停泊軌道上進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的“準(zhǔn)備工作”？抓總研制火星環(huán)繞器的中國(guó)航天科技集團(tuán)八院表示，與已經(jīng)成功進(jìn)行了多次火星探測(cè)任務(wù)的美國(guó)相比，我國(guó)在“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)之前，尚不掌握第一手火星環(huán)境資料，對(duì)火星的地形地貌、天氣環(huán)境等各方面情況尚不熟悉。因此在本次任務(wù)中，根據(jù)全球已公開(kāi)的數(shù)據(jù)，在任務(wù)規(guī)劃中首先預(yù)選出一個(gè)首選著陸區(qū)以及一個(gè)備選著陸區(qū)，并通過(guò)環(huán)繞器環(huán)繞火星的方式，對(duì)預(yù)選著陸地點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。

著陸巡視器下降接近火星表面

在被火星引力捕獲后，環(huán)繞器在停泊軌道開(kāi)展對(duì)預(yù)選著陸區(qū)為期3個(gè)月的觀測(cè)，利用中分相機(jī)、高分相機(jī)等載荷設(shè)備，對(duì)火星南北極和預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行詳查，通過(guò)獲取的第一手探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)選著陸區(qū)的環(huán)境條件進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，同時(shí)獲取著陸區(qū)的地形、沙塵暴天氣等信息，為探測(cè)器實(shí)施軟著陸提供進(jìn)一步保障，確保探測(cè)器在著陸過(guò)程中的安全。

在火星表面穩(wěn)穩(wěn)落地

為了保證探測(cè)效果，八院火星環(huán)繞器研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的環(huán)火停泊軌道為回歸軌道，即每圈軌道的近火點(diǎn)均位于首選著陸區(qū)的正上方，這種軌道設(shè)計(jì)可以使探測(cè)器每次運(yùn)行到近火點(diǎn)時(shí)，均可以對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行詳查。

八院509所環(huán)繞器總體設(shè)計(jì)師介紹，環(huán)繞器對(duì)預(yù)選著陸區(qū)的探測(cè)包括地貌、天氣兩個(gè)主要方面。通過(guò)高分辨率相機(jī)、中分辨率相機(jī)、光譜儀等載荷的探測(cè)數(shù)據(jù)，火星環(huán)繞器生成火表遙感圖像，隨后以遙感圖像為基礎(chǔ)，對(duì)火星表面的地形地貌（如坡度、凹坑、石塊等）進(jìn)行辨識(shí)分析，并繪制得到火星表面高程圖。

“祝融號(hào)”火星車(chē)

地面科研人員利用這些坡度、高程、石塊豐度等火表關(guān)鍵特性參數(shù)，可以開(kāi)展三維高精度建模，并進(jìn)行著陸仿真驗(yàn)證，確保預(yù)選著陸點(diǎn)的地貌條件充分適合探測(cè)器的軟著陸及后續(xù)火星車(chē)的巡視探測(cè)任務(wù)。

環(huán)繞器在停泊軌道執(zhí)行預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)任務(wù)中，也會(huì)對(duì)火星的天氣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于火星表面天氣惡劣，每年都會(huì)形成幾場(chǎng)大的沙塵暴。沙塵暴可能會(huì)改變著陸巡視器下降過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，影響著陸過(guò)程的安全性，同時(shí)，沙塵粒子可能會(huì)附著在探測(cè)器的表面，甚至鉆入探測(cè)器內(nèi)部，造成各類(lèi)儀器設(shè)備故障。 

環(huán)繞器為火星車(chē)提供中繼通信效果圖

同時(shí)，由于“天問(wèn)一號(hào)”攜帶的火星車(chē)采用太陽(yáng)能帆板的形式供電，大量沙塵會(huì)覆蓋在太陽(yáng)能電池片的表面，降低發(fā)電效率甚至導(dǎo)致發(fā)電能力喪失。對(duì)于火星車(chē)來(lái)說(shuō)，失去能源供應(yīng)無(wú)疑是致命的。因此，通過(guò)停泊軌道3個(gè)月的預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，八院火星環(huán)繞器研制團(tuán)隊(duì)可以對(duì)火星的天氣情況尤其是沙塵暴的動(dòng)向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而避開(kāi)惡劣的火星天氣，選擇一個(gè)“風(fēng)和日麗”的日子實(shí)施兩器分離任務(wù)。

據(jù)八院透露，著陸巡視器安全著陸火星后，后續(xù)將進(jìn)行桅桿、太陽(yáng)翼、天線、車(chē)輪等機(jī)構(gòu)的釋放展開(kāi)，“祝融號(hào)”火星車(chē)駛離著陸平臺(tái)，行駛到火星表面開(kāi)展巡視探測(cè)。環(huán)繞器在完成著陸過(guò)程的中繼通信任務(wù)后，再在周期為兩個(gè)火星日的停泊軌道上運(yùn)行一圈，之后在近火點(diǎn)實(shí)施變軌機(jī)動(dòng)，將軌道變?yōu)橹芷跒槿种粋€(gè)火星日的中繼軌道，這樣一個(gè)火星日內(nèi)，環(huán)繞器可為火星車(chē)提供一次近火點(diǎn)中繼通信和一次遠(yuǎn)火點(diǎn)中繼通信，為后續(xù)的巡視探測(cè)任務(wù)提供指令上注和探測(cè)信息傳輸服務(wù)。