【博科園-科學(xué)科普】2016年3月，空間局(ESA)發(fā)射了“火星外太空生物”任務(wù)進(jìn)入太空。在歐洲航天局和俄羅斯航天局的聯(lián)合項目中，這兩部分的任務(wù)包括追蹤氣體軌道器(TGO)和Schiaparelli著陸器，它們都在2016年10月到達(dá)火星軌道。當(dāng)Schiaparelli在試圖著陸的時候墜毀，TGO已經(jīng)完成了一些令人印象深刻的壯舉。
ExoMars 2016的入口，降落和著陸演示模塊，命名為Schiaparelli，從追蹤氣體軌道器并前往火星。圖片版權(quán)：ESA/D. Ducros
例如在2017年3月，軌道飛行器開始了一系列的空中制動演習(xí)，在那里它開始降低其軌道進(jìn)入火星稀薄的大氣層并使其減速。據(jù)TGO飛行控制小組的宇宙飛船運營工程師Armelle Hubault說，ExoMars的任務(wù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展，并且正在朝著建立它在這個紅色星球的最后軌道的道路上前進(jìn)。一旦它在火星周圍建立了最后的軌道——400千米(248.5英里)，那么TGO將是進(jìn)行這些研究的理想位置。
ExoMars任務(wù)的跟蹤氣體軌道飛行器在2018年3月進(jìn)行空中制動演習(xí)的可視化圖。圖片版權(quán)：ESA
歐洲航天局還發(fā)布了一幅圖(上圖)，展示了TGO自開始實施空中制動以來的連續(xù)軌道，并將持續(xù)到2018年3月。而紅點表示軌道飛行器(和藍(lán)線的當(dāng)前軌道)，灰色線顯示了TGO軌道周期的連續(xù)下降。粗線表示減少1小時，而細(xì)線表示減少30分鐘。從本質(zhì)上講一種單一的飛機制動操縱由軌道飛行器進(jìn)入火星的高層大氣，依靠它的太陽能陣列來產(chǎn)生微小的阻力。隨著時間的推移，這個過程減慢了飛行的速度，并逐漸降低了它環(huán)繞火星的軌道。
正如Armelle Hubault最近在歐洲航天局的火箭科學(xué)博客上發(fā)表的：從最大的軌道開始，離火星最遠(yuǎn)的距離是33 200公里，在2017年3月有24小時的軌道，但由于火星的連接，去年夏天不得不暫停。將于2017年8月開始實施空中制動，并有望在2018年3月中旬完成最終的科學(xué)軌道。截至目前2018年1月30日，已將ExoMars TGO的速度降低了781.5 m/s。相比之下這一速度是典型的長途噴氣式飛機速度的兩倍多。
本周早些時候，軌道飛行器通過了它在其軌道上最接近地表的地方(由紅線代表的pericenter通道)。在這一過程中，飛船進(jìn)入了火星最上層的大氣層，并拖拽了飛行器并使其進(jìn)一步減速。在其目前的橢圓軌道上，它從火星上達(dá)到了2700公里(1677英里)的最大距離。
在火星上的ExoMars追蹤氣體軌道飛行器的可視化圖。圖片版權(quán)：ESA/ATG medialab
盡管實施了幾十年的實踐，但對于任務(wù)團隊來說，飛機制動仍然是一個重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。每當(dāng)一艘宇宙飛船經(jīng)過一顆行星的大氣層時，它的飛行控制器就需要確保它的方向是正確的，以便減速并確保飛行器保持穩(wěn)定。如果他們的計算稍微偏離了一點，宇宙飛船就可能開始失去控制偏離軌道。必須調(diào)整我們的定期pericentre高度，因為一方面火星大氣密度變化(有時我們剎車更有時候我們剎車更少)。另一方面,火星引力到處都是不一樣的(所以有時地球拉我們、有時我們漂移出一點)。
為了達(dá)到最佳的制動效果，盡量保持在110公里的高度。為了讓飛船保持在軌道上，每天都上傳一套新的命令——對于飛行動力學(xué)和地面站的團隊來說，這是一個非?？量痰臅r間！飛行控制小組的下一步是使用航天器的推進(jìn)器將航天器送入其最終軌道(由圖上的綠線表示)。在這一點上宇宙飛船將進(jìn)入最后的科學(xué)和運行數(shù)據(jù)中繼軌道，它將在距火星表面大約400公里(248.5英里)的軌道上運行。使TGO進(jìn)入最終軌道的過程仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。
目前的主要挑戰(zhàn)是，由于我們永遠(yuǎn)不知道在每一段時間內(nèi)飛船將會減速多少，也永遠(yuǎn)無法確切知道它何時會在指向地球后與地面空間站重新建立聯(lián)系。正在使用一個20分鐘的‘窗口’來獲取信號(AOS)，當(dāng)?shù)孛嬲驹谌魏谓o定的觀測站中首先捕捉到TGO的信號，而通常在星際任務(wù)中，有一個預(yù)先設(shè)定好的AOS時間。
歐空局Exomars 2020漫游者的印象概念圖，預(yù)計將在2o21年春天登陸火星表面。圖版權(quán)：ESA
隨著航天器的軌道周期縮短到不足3小時，飛行控制小組現(xiàn)在每天要進(jìn)行8次這樣的練習(xí)。一旦TGO到達(dá)其最后的軌道(到2018年3月)，軌道飛行器將一直保持到2022年，作為未來任務(wù)的通信中繼衛(wèi)星。它的任務(wù)之一將是向歐洲航天局的ExoMars 2020任務(wù)傳遞數(shù)據(jù)，該任務(wù)將包括一個歐洲漫游者和一個在2021年春天部署火星表面的俄羅斯地面平臺。
與美國國家航空航天局(NASA)的“火星2020”號火星車一起，這對探測器/著陸器將是最新的一長串機器人任務(wù)，試圖解開火星過去的秘密。此外這些特派團將進(jìn)行關(guān)鍵的調(diào)查，這將為最終返回地球的樣品返回工作鋪平道路，更不要說到表面上了！
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：ESA
