歐空局的EXOMARS完成空中制動演習，將進環繞火星400公里環形軌道
【博科園-科學科普】2016年3月，空間局(ESA)發射了「火星外太空生物」任務進入太空。在歐洲航天局和俄羅斯航天局的聯合項目中，這兩部分的任務包括追蹤氣體軌道器(TGO)和Schiaparelli著陸器，它們都在2016年10月到達火星軌道。當Schiaparelli在試圖著陸的時候墜毀，TGO已經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，從追蹤氣體軌道器並前往火星。圖片版權：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，在那裡它開始降低其軌道進入火星稀薄的大氣層並使其減速。據TGO飛行控制小組的宇宙飛船運營工程師Armelle Hubault說，ExoMars的任務已經取得了巨大的進展，並且正在朝著建立它在這個紅色星球的最後軌道的道路上前進。一旦它在火星周圍建立了最後的軌道——400千米(248.5英里)，那麼TGO將是進行這些研究的理想位置。
ExoMars任務的跟蹤氣體軌道飛行器在2018年3月進行空中制動演習的可視化圖。圖片版權：ESA
歐洲航天局還發布了一幅圖(上圖)，展示了TGO自開始實施空中制動以來的連續軌道，並將持續到2018年3月。而紅點表示軌道飛行器(和藍線的當前軌道)，灰色線顯示了TGO軌道周期的連續下降。粗線表示減少1小時，而細線表示減少30分鐘。從本質上講一種單一的飛機制動操縱由軌道飛行器進入火星的高層大氣，依靠它的太陽能陣列來產生微小的阻力。隨著時間的推移，這個過程減慢了飛行的速度，並逐漸降低了它環繞火星的軌道。
正如Armelle Hubault最近在歐洲航天局的火箭科學博客上發表的：從最大的軌道開始，離火星最遠的距離是33 200公里，在2017年3月有24小時的軌道，但由於火星的連接，去年夏天不得不暫停。將於2017年8月開始實施空中制動，並有望在2018年3月中旬完成最終的科學軌道。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，飛船進入了火星最上層的大氣層，並拖拽了飛行器並使其進一步減速。在其目前的橢圓軌道上，它從火星上達到了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：ESA/ATG medialab
儘管實施了幾十年的實踐，但對於任務團隊來說，飛機制動仍然是一個重大的技術挑戰。每當一艘宇宙飛船經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，以便減速並確保飛行器保持穩定。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——對於飛行動力學和地面站的團隊來說，這是一個非常苛刻的時間！飛行控制小組的下一步是使用航天器的推進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入最後的科學和運行數據中繼軌道，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進入最終軌道的過程仍然是一個具有挑戰性的過程。
目前的主要挑戰是，由於我們永遠不知道在每一段時間內飛船將會減速多少，也永遠無法確切知道它何時會在指向地球後與地面空間站重新建立聯繫。正在使用一個20分鐘的『窗口』來獲取信號(AOS)，當地面站在任何給定的觀測站中首先捕捉到TGO的信號，而通常在星際任務中，有一個預先設定好的AOS時間。
歐空局Exomars 2020漫遊者的印象概念圖，預計將在2o21年春天登陸火星表面。圖版權：ESA
隨著航天器的軌道周期縮短到不足3小時，飛行控制小組現在每天要進行8次這樣的練習。一旦TGO到達其最後的軌道(到2018年3月)，軌道飛行器將一直保持到2022年，作為未來任務的通信中繼衛星。它的任務之一將是向歐洲航天局的ExoMars 2020任務傳遞數據，該任務將包括一個歐洲漫遊者和一個在2021年春天部署火星表面的俄羅斯地面平台。
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，試圖解開火星過去的秘密。此外這些特派團將進行關鍵的調查，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：科學無國界，博科園-科學科普
參考：ESA
作者：Matt Williams
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：Universe Today
編譯：中子星
審校：博科園
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