“天問一號”為什麼要進入“停泊軌道”？

話説，我們“小天”有陣子沒更新狀態了，它現在飛到哪了呢？2021年2月24日，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器在成功實施第三次近火制動後，進入近火點280千米、遠火點5.9萬千米、週期2個火星日的火星停泊軌道，預計將在這條軌道穩定運行3個月左右。那麼，停泊軌道到底是什麼？

停泊軌道：航天器短暫停留，更好過渡

停泊軌道並不是航天器最終飛行軌道，它是一條讓航天器在發射後駐留，以便擇機進行軌道轉移的中間過渡軌道。當然，地球有地球的停泊軌道，火星有火星的停泊軌道。

任何一個航天器都有最佳發射窗口，火箭在準備時要盡力抓住這個寶貴的機會執行航天發射任務。但受限於航天發射場的地理位置或最佳窗口過於狹窄等因素，即便抓住窗口後航天器依然很難一次性進入目標軌道，必須依賴停泊軌道進行過渡。

例如，人類絕大部分航天發射場都處於北半球中低緯度區域，和地球赤道上空的靜止軌道（緯度為0度，高度為35786千米）存在較大差距，很難直接進入理想軌道，需要火箭和航天器不斷在近地點、遠地點調整軌道傾角和軌道高度，需要數個軌道進行過渡；對於載人航天交會對接任務亦是如此，發射後載人飛船立即與目標空間站對接要求的發射窗口僅為1秒左右，這對於確保載人任務成功率是個極大的挑戰，而採用發射後先不對接、逐漸調整軌道的方式更為理想，能大幅擴展對接窗口時間寬度。因此，火箭發射後航天員往往需要兩天時間用於“停泊”，等待最佳時機。

深空探測領域亦是如此。這種任務往往耗時不菲、代價巨大，為了最大限度確保任務成功率，採用停泊軌道進行過渡是很常見的步驟。嫦娥探月、天問探火，皆是如此。

早在“嫦娥一號”任務時，停泊軌道就已經運用（圖源：王永卓）

停泊軌道的英文術語是Parking Orbit，或許用停車（Parking）作為類比説明更為直觀：瞄準目標停車位後，預選一條行車軌跡（停泊軌道），期間“眼觀四路、耳聽八方”，邊走邊調，入庫的成功率會大大增加。

駐留期間：詳細勘探，伺機着陸火星

“天問一號”是中國首次火星探測任務，也是個高度複雜的任務，將一次性實現火星環繞、着陸和巡視三大工程目標，以及通過13台科學儀器對火星進行全方位科研，任務整體難度巨大。此前中國對火星的詳細瞭解有限，目標着陸區域的最新地形地貌和氣象條件等也可能相對科研成果有一定出入，着陸器/巡視器組合體也必須依賴穩定運行的環繞器才能成功。因而，入軌火星後必須採取分步走的策略。

“天問一號”於2月10日近火制動、成功進入了週期約10個地球日的低傾角大橢圓環火軌道，隨後於2月15日遠火點機動調整軌道傾角，成功進入了能探測火星全球的高傾角橢圓環火軌道，然後就是本次進入停泊軌道的操作，多個操作確保了環繞器的穩定運行和後續的對火觀測。

3月4日，中國航天正式公佈首批“天問一號”拍攝的全色圖像，分辨率約0.7米，成像區域內火星表面小型環形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可見

在目前的停泊軌道駐留階段，環繞器的7台載荷已經全部開機進行初步的科學探測，實現地球和火星之間的穩定通信，為未來着陸火星的巡視器提供信號中繼服務。每隔兩天時間，它抵達一次近火點，距離火星僅280千米左右，載荷中的中分辨率相機、高分辨率相機、光譜儀等將對烏托邦平原南部等低緯度預選着陸區域的地形地貌、沙塵天氣等進行詳查，評估火星環境和着陸時機可行性。

在經過3個月左右的詳細勘察後，環繞器將進行一定軌道調整並與着陸器/巡視器組合體擇機分離，後者開始獨立的約7分鐘火星着陸過程。由於火星和地球之間的漫長距離導致幾十分鐘通信時延，航天人不可能控制着陸過程，而必須讓着陸器全自主完成這“黑色七分鐘”旅程。