火星环绕器为何要在停泊轨道上探测3个月？航天八院专家详解

在经过长达3个月的火星停泊轨道运行探测后，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器5月15日稳稳降落在火星乌托邦平原南部的预选着陆区，迈出了我国星际探测征程的重要一步。

着陆巡视器与环绕器两器分离效果图  本文图片均来自中国航天科技集团

时间拨回到2021年2月15日17时，天问一号探测器运行至远火点，实施远火点轨道机动，3000N发动机点火工作，将环火轨道从倾角10度的大椭圆轨道调整为火星极轨大椭圆轨道（轨道倾角约86度），并将近火点高度调整至约280公里；2021年2月20日20时，探测器实施第二次近火制动，进入周期约为3.5天的停泊调相轨道；2021年2月24日6时，探测器实施第三次近火制动，进入近火点高度280公里，远火点高度57000公里，周期为49.2小时（约2个火星日）的停泊轨道。

在落火前，天问一号为何要在火星停泊轨道上进行长达3个月的“准备工作”？抓总研制火星环绕器的中国航天科技集团八院表示，与已经成功进行了多次火星探测任务的美国相比，我国在“天问一号”探测任务之前，尚不掌握第一手火星环境资料，对火星的地形地貌、天气环境等各方面情况尚不熟悉。因此在本次任务中，根据全球已公开的数据，在任务规划中首先预选出一个首选着陆区以及一个备选着陆区，并通过环绕器环绕火星的方式，对预选着陆地点进行探测。

着陆巡视器下降接近火星表面

在被火星引力捕获后，环绕器在停泊轨道开展对预选着陆区为期3个月的观测，利用中分相机、高分相机等载荷设备，对火星南北极和预定着陆区进行详查，通过获取的第一手探测数据，对预选着陆区的环境条件进行进一步确认，同时获取着陆区的地形、沙尘暴天气等信息，为探测器实施软着陆提供进一步保障，确保探测器在着陆过程中的安全。

在火星表面稳稳落地

为了保证探测效果，八院火星环绕器研制团队设计的环火停泊轨道为回归轨道，即每圈轨道的近火点均位于首选着陆区的正上方，这种轨道设计可以使探测器每次运行到近火点时，均可以对着陆区进行详查。

八院509所环绕器总体设计师介绍，环绕器对预选着陆区的探测包括地貌、天气两个主要方面。通过高分辨率相机、中分辨率相机、光谱仪等载荷的探测数据，火星环绕器生成火表遥感图像，随后以遥感图像为基础，对火星表面的地形地貌（如坡度、凹坑、石块等）进行辨识分析，并绘制得到火星表面高程图。

“祝融号”火星车

地面科研人员利用这些坡度、高程、石块丰度等火表关键特性参数，可以开展三维高精度建模，并进行着陆仿真验证，确保预选着陆点的地貌条件充分适合探测器的软着陆及后续火星车的巡视探测任务。

环绕器在停泊轨道执行预选着陆区探测任务中，也会对火星的天气情况进行监测。由于火星表面天气恶劣，每年都会形成几场大的沙尘暴。沙尘暴可能会改变着陆巡视器下降过程的动力学参数，影响着陆过程的安全性，同时，沙尘粒子可能会附着在探测器的表面，甚至钻入探测器内部，造成各类仪器设备故障。 

环绕器为火星车提供中继通信效果图

同时，由于“天问一号”携带的火星车采用太阳能帆板的形式供电，大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面，降低发电效率甚至导致发电能力丧失。对于火星车来说，失去能源供应无疑是致命的。因此，通过停泊轨道3个月的预选着陆区探测，八院火星环绕器研制团队可以对火星的天气情况尤其是沙尘暴的动向进行监测，从而避开恶劣的火星天气，选择一个“风和日丽”的日子实施两器分离任务。

据八院透露，着陆巡视器安全着陆火星后，后续将进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开，“祝融号”火星车驶离着陆平台，行驶到火星表面开展巡视探测。环绕器在完成着陆过程的中继通信任务后，再在周期为两个火星日的停泊轨道上运行一圈，之后在近火点实施变轨机动，将轨道变为周期为三分之一个火星日的中继轨道，这样一个火星日内，环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信，为后续的巡视探测任务提供指令上注和探测信息传输服务。