一個研究生的火星任務日記（二）——說走就走去火星？不存在的

2020-08-19 牧夫天文

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一個研究生的火星任務日記（二）

說走就走去火星？不存在的

原作：徐鵬暉

編排：王璞

後臺：庫特莉亞夫卡 李子琦

「對了咱們這個任務還沒起名呢。」

「有啥好的想法不？」

……

當時天問一號的名字還沒正式確定下來，中國行星探測計劃也還沒公布，我們也沒有可以參考的用於火星任務的帶有明顯中國文化特色的中文名字。結果起名這個事就這麼擱著了，最後還是交項目建議書之前我臨時想了個名字這才搞定。（容我吐槽一下自己真的是個文化沙漠+起名廢……）

不過還是先搞了個logo出來：

本次任務的logo，整體是一個變形的「火」字，圓形紅色弧代表火星，橢圓形紅色弧代表任務軌道，黃色飛翼代表無人機（雖然最後搞出來是個旋翼機），配色用國旗配色（紅+黃），底部是任務名簡稱+擬發射年份

除此之外我們也還是搞了點正事的。接下來我把設計內容分了幾塊，比如載荷設計、軌道設計和太空飛行器設計等，然後大家分頭行動。別看這說著好像挺簡單，等我意識到該這麼搞，然後明確分工的時候已經過了一個月了……

先說說軌道設計的事情。小陳同學先幫我們明確了目標軌道要求，也就是我們的太空飛行器最後要去一個什麼樣的軌道。初步擬定是一個近火點高度265km，遠火點高度6000km的繞極軌道，和天問一號較為類似，這個軌道設計是為了同時滿足軌道器對火星進行科學探測以及為火星車建立數據傳輸中繼的要求。

看過不少航天發射直播的朋友應該都聽專家介紹過，太空飛行器在太空裡由於受萬有引力影響只能沿橢圓軌道飛行，不能直線飛向目標，而在特定位置點火噴氣進行加速和減速則可以幫助太空飛行器由一個軌道進入另一個軌道。而一般來說點火次數越多、點火加速要求的速度增量越大，需要消耗的燃料就越多，當然對總質量要求極為嚴格的航天任務來說這是誰都不願意見到的情況。

除了到達什麼軌道以外，什麼時候出發也是有限制的。我們在小學二年級就學過（狗頭），霍曼轉移是又省燃料又簡單的一種變軌方案，當然毫無意外成了我們的首選。而如果選擇霍曼轉移的話，地球和火星需要成一個特殊的位置關係才能給發射創造條件。這個發射窗口一般26個月出現一次。我們最後將發射窗口商定在了2026年。（tips：經常有人認為發射窗口出現在火星衝日附近，其實這是個誤解，發射窗口出現時火星的位置相對地球較為靠前，日火連線和日地連線呈一夾角，時間上則在火星衝日前數月）

直觀一點就是像這樣

圖片源自網絡

和小泉同學經過了無數次的debug之後（此處省略800字），我們終於搞出了第一版變軌轉移方案：

第一版方案自製示意圖，發射後火箭將太空飛行器送入近地點高度200km，遠地點高度36000km的GTO軌道，而後在近地點點火進入地火轉移軌道(TMI)，經過272天的飛行之後進行制動點火被火星俘獲，而後再經過兩次點火進入目標軌道

拿給老師審閱，結果第一個問題我就傻了眼：「這方案大概消耗多少燃料？」現場一算，大概七八噸的樣子，這光燃料都快佔滿火箭運力了……

啥都別說了，回去改唄。

後來才發現我們計算的時候沒有充分發揮火箭的作用（給「胖五」道個歉……），另外當時我們打算在目標軌道上釋放火星車著陸艙，這意味著著陸艙也和軌道器一起跑完了變軌的全部程序，可能也會增加不必要的燃料消耗。又是一輪無數次的debug之後（再次省略800字），我們搞出了第二版變軌轉移方案：

第二版方案自製示意圖，相比第一版最大的改動在於取消了GTO段的停留，改為星箭分離後直接進入TMI前往火星，圖中紅色的為軌道器的點火速度增量，黃色的為著陸艙的點火速度增量，著陸艙在距火星70000km處與軌道器分離，隨後下降到100km高度轉入EDL（Entry, Descending and Landing，進入大氣層、下降與著陸過程）過程進行著陸

這一版在邏輯上至少是自洽了，拿給老師審核的時候也沒有什麼大問題，我終於是長舒了一口氣。

然而這好日子沒幾天就到頭了……

「我們這個軌道方案可能就這樣定了，我們進了265,70000的大橢圓極軌就打算等上幾個月，等一個合適的著陸時機就可以保證落點在預定區域了。」

「嗯，看著沒啥問題。」但是小陳同學突然殺了個回馬槍，「對了我們這個軌道是在白天還是晚上著陸的？」

我打開了模擬軟體：「結果顯示著陸點當時好像是在陰面。」

「壞了，夜間的話著陸時用的避障相機是看不見東西的啊，搞不好最後著陸的時候撞在一塊大石頭上都看不到。」

我當時腦袋嗡的一聲炸開了，之前完全沒想到還有這回事（怪不得幾乎所有的外星登陸任務都把著陸時間選在當地白天）。因為這意味著軌道設計方案可能又要面臨大修，而整個任務系統是一個整體，牽一髮而動全身，很多其他的相關設計也可能面臨大修。更加讓這個事情帶上那麼一點恐怖故事色彩的是，此時距離我計劃中最後開始寫項目建議書文本的時間已經不到倆星期了。

我像被放大鏡照射的螞蟻一樣急得趕緊把正在喝茶的小泉同學叫回來，向他講了這個極為真實的現代恐怖故事，隨後就是長達幾天的瘋狂計算、模擬和調整。這期間我們試了各種辦法，包括調整軌道根數、調整發射窗口（我甚至把發射窗口查找範圍擴寬到了50年內）、利用軌道攝動等等，小泉同學為此事也沒少找他導師，最後甚至驚動了助教老師，但仍然沒能解決這個問題。

眼看兩周就要過完了，就在我們一籌莫展的時候，這天我靈光一閃，既然原來的方案如果要靠攝動把近火點挪到陽面來要7年時間，那如果改成直接到達高度更低的目標軌道再通過攝動把近火點挪到陽面來時間是不是要少很多？於是我打開電腦一通操作，結果顯示在軌等待2個月後就可以基本滿足著陸所需的全部條件，4個月後有最優解。

但這還不算完，我這裡只是證明了這個方案可以滿足著陸需求，但是在實際操作中有沒有工程可行性則還需要小泉同學根據這個方法返回給我一些關鍵參數用以判斷。一陣極為煎熬的等待後，小泉同學返回給我的結果是有工程可行性。看到這個結果後我大鬆了一口氣，像個洩了氣的氣球一樣癱在椅子上。

這是最終版的變軌轉移方案：

最終版方案自製示意圖，別看相對上一版似乎只是改了一個著陸艙點火減速位置的區別，與之對應的模擬和論證的工作量卻和這個改動的簡單程度完全不成正比

後來我們看到了天問一號的變軌動畫[1]，兩者一比較，不由得感嘆：「我們這個軌道和天問一號比起來簡直是班門弄斧。」

但是反過來想，天問一號那比我們的設計方案簡潔得多、實操性強得多、精細得多的軌道設計，得是多少科研人員歷經多少個日夜反覆優化的成果呢？（未完待續）

參考資料：

[1] https://www.bilibili.com/video/av370499764/

責任編輯：艾宇熙

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

8月2日7時0分，我國首次火星探測任務天問一號探測器3000N發動機工作20秒鐘，順利完成第一次軌道中途修正

圖片來源 國家航天局

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