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即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难( 二 )


切入轨道
投入火星引力怀抱
投入火星怀抱，意味着冲进火星的引力影响范围，正如出发时需要逃离地球影响范围一样。
宇宙中任何一个天体都是引力源。理论上，一个天体的引力影响范围是无限的。但在实际情况中，两个天体总会互相影响，导致各自拥有一定的引力主导范围。太阳占据了太阳系总质量的99%以上，是太阳系内绝对的引力主导。它会压缩地球等行星的引力主导范围到一个定义为“希尔球”的空间内。例如，地球的希尔球半径约为150万千米，仅相当于地球到太阳平均距离的1%左右。
火星的质量很小，仅相当于地球的10.7%，表面的引力加速度仅为地球的37.9%。所以，它的希尔球被太阳“压缩”得更小，半径仅为约100万千米——理论上，“天问一号”至少需要冲进这个范围，才能被火星捕获。但实际上，它需要至少达到希尔球内部约三分之一位置，才有可能维持相对稳定的轨道。例如，月球就稳定运转在距离地球38万千米的轨道上。所以，“天问一号”投入火星怀抱，实际上对于轨道控制的精度要求会高很多。
即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难
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▲国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。新华社发
而且，火星围绕太阳轨道是一个偏心率为0.1的椭圆，它与地球的最近距离也是时远时近。它的轨道面与黄道平面（地球围绕太阳运动的轨道面）也存在1.8度的夹角，这使得地球到火星之间的飞行轨道设计更加复杂——最终要冲进这么一个狭小的引力影响范围，谈何容易！
因此，“天问一号”的火星探测之旅大概相当于：让一个人在滑翔机上（运动速度较快的地球）扔（发射）一粒小石子（“天问一号”），在提前很远的位置（发射窗口），中间有风和空气的影响（恒星和行星等各种引力源），经过精准控制（深空机动和轨道修正），准确穿过地面上一辆左右前后运动中（围绕太阳运动轨道倾角不同，火星轨道有较大偏心率）的小汽车（运动速度较慢的火星）天窗（引力影响范围希尔球）后，再掉到司机的水杯里（环绕火星轨道），难度可想而知。
制动减速
刀尖上起舞的航天技术
进入火星引力影响范围并不是终点。虽然这里已经是火星的世界，但如果以火星为参照，“天问一号”的原本速度加上火星引力加速效果，会使得两者的相对速度变得很大，甚至超过火星逃逸速度（能从火星表面永远逃离火星引力的速度，约5千米/秒）。这意味着在不采取任何措施的情况下，“天问一号”会在火星附近完成 “惊鸿一瞥”后，随即在自身速度和火星引力作用下，飞向更远的深空。
在人类探测火星的初期，“水手四号”等探测器的飞掠任务就是这种模式：任务周期长达数年，但仅有极短（1天左右）一次临近火星的机会。这是当时航天器无法有效制动减速的无奈之举。因此，飞入火星引力主导范围、达到目标位置后，“天问一号”需要立即制动减速。
在具体操作过程中，通信延时是个很重要的影响因素。在地球附近，航天器与飞控中心双向通信延时以毫秒计，即便到了月球也仅为2秒。而在火星附近，双向通信延时最短为6分钟，最长可达45分钟，还会存在地球和火星自转造成遮挡、太阳活动和空间天气剧变等因素干扰。这意味着，地球上的飞控中心不可能实时控制 “天问一号”完成制动操作，从而需要它在提前装载程序后自主完成这 “刀尖上起舞”的减速过程。
即将开启“环火”之旅，“天问一号”被火星捕获有多难
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国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器飞行图像。新华社发
制动减速需要消耗推进剂，而“天问一号”的任何一滴推进剂都是无比宝贵的，是重达870吨的长征五号火箭拼尽全力发射、经历了近7个月深空飞行才送抵火星的成果。而且，按照后续的任务规划，“天问一号”的环绕器部分需要长期在火星上空工作，这也需要定期进行轨道维持。如果能最大限度节省推进剂，则意味着能最大限度延长轨道器的总工作时间，这对“天问一号”的工程和科学产出有重大意义。因此，“天问一号”会通过进入环绕火星大椭圆轨道的方式最大限度节省推进剂。
环绕火星
静待最佳着陆时机
人类探测火星60年来，共有四种任务类型：惊鸿一瞥的“飞掠”，登高望远的“环绕”，观天测地的“降落”，自由移动的“巡视”。
其中，“飞掠”仅在早期技术不成熟或其他任务兼而探测火星时使用，另外三种是近年来的主要任务类型。而“天问一号”则将挑战近年来人类探测火星任务的“复杂度之最”——同时完成“环绕” “降落”和“巡视”三大工程目标。

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