【博科园-科学科普】2016年3月，空间局(ESA)发射了“火星外太空生物”任务进入太空。在欧洲航天局和俄罗斯航天局的联合项目中，这两部分的任务包括追踪气体轨道器(TGO)和Schiaparelli着陆器，它们都在2016年10月到达火星轨道。当Schiaparelli在试图着陆的时候坠毁，TGO已经完成了一些令人印象深刻的壮举。
ExoMars 2016的入口，降落和着陆演示模块，命名为Schiaparelli，从追踪气体轨道器并前往火星。图片版权：ESA/D. Ducros
例如在2017年3月，轨道飞行器开始了一系列的空中制动演习，在那里它开始降低其轨道进入火星稀薄的大气层并使其减速。据TGO飞行控制小组的宇宙飞船运营工程师Armelle Hubault说，ExoMars的任务已经取得了巨大的进展，并且正在朝着建立它在这个红色星球的最后轨道的道路上前进。一旦它在火星周围建立了最后的轨道——400千米(248.5英里)，那么TGO将是进行这些研究的理想位置。
ExoMars任务的跟踪气体轨道飞行器在2018年3月进行空中制动演习的可视化图。图片版权：ESA
欧洲航天局还发布了一幅图(上图)，展示了TGO自开始实施空中制动以来的连续轨道，并将持续到2018年3月。而红点表示轨道飞行器(和蓝线的当前轨道)，灰色线显示了TGO轨道周期的连续下降。粗线表示减少1小时，而细线表示减少30分钟。从本质上讲一种单一的飞机制动操纵由轨道飞行器进入火星的高层大气，依靠它的太阳能阵列来产生微小的阻力。随着时间的推移，这个过程减慢了飞行的速度，并逐渐降低了它环绕火星的轨道。
正如Armelle Hubault最近在欧洲航天局的火箭科学博客上发表的：从最大的轨道开始，离火星最远的距离是33 200公里，在2017年3月有24小时的轨道，但由于火星的连接，去年夏天不得不暂停。将于2017年8月开始实施空中制动，并有望在2018年3月中旬完成最终的科学轨道。截至目前2018年1月30日，已将ExoMars TGO的速度降低了781.5 m/s。相比之下这一速度是典型的长途喷气式飞机速度的两倍多。
本周早些时候，轨道飞行器通过了它在其轨道上最接近地表的地方(由红线代表的pericenter通道)。在这一过程中，飞船进入了火星最上层的大气层，并拖拽了飞行器并使其进一步减速。在其目前的椭圆轨道上，它从火星上达到了2700公里(1677英里)的最大距离。
在火星上的ExoMars追踪气体轨道飞行器的可视化图。图片版权：ESA/ATG medialab
尽管实施了几十年的实践，但对于任务团队来说，飞机制动仍然是一个重大的技术挑战。每当一艘宇宙飞船经过一颗行星的大气层时，它的飞行控制器就需要确保它的方向是正确的，以便减速并确保飞行器保持稳定。如果他们的计算稍微偏离了一点，宇宙飞船就可能开始失去控制偏离轨道。必须调整我们的定期pericentre高度，因为一方面火星大气密度变化(有时我们刹车更有时候我们刹车更少)。另一方面,火星引力到处都是不一样的(所以有时地球拉我们、有时我们漂移出一点)。
为了达到最佳的制动效果，尽量保持在110公里的高度。为了让飞船保持在轨道上，每天都上传一套新的命令——对于飞行动力学和地面站的团队来说，这是一个非常苛刻的时间！飞行控制小组的下一步是使用航天器的推进器将航天器送入其最终轨道(由图上的绿线表示)。在这一点上宇宙飞船将进入最后的科学和运行数据中继轨道，它将在距火星表面大约400公里(248.5英里)的轨道上运行。使TGO进入最终轨道的过程仍然是一个具有挑战性的过程。
目前的主要挑战是，由于我们永远不知道在每一段时间内飞船将会减速多少，也永远无法确切知道它何时会在指向地球后与地面空间站重新建立联系。正在使用一个20分钟的‘窗口’来获取信号(AOS)，当地面站在任何给定的观测站中首先捕捉到TGO的信号，而通常在星际任务中，有一个预先设定好的AOS时间。
欧空局Exomars 2020漫游者的印象概念图，预计将在2o21年春天登陆火星表面。图版权：ESA
随着航天器的轨道周期缩短到不足3小时，飞行控制小组现在每天要进行8次这样的练习。一旦TGO到达其最后的轨道(到2018年3月)，轨道飞行器将一直保持到2022年，作为未来任务的通信中继卫星。它的任务之一将是向欧洲航天局的ExoMars 2020任务传递数据，该任务将包括一个欧洲漫游者和一个在2021年春天部署火星表面的俄罗斯地面平台。
与美国国家航空航天局(NASA)的“火星2020”号火星车一起，这对探测器/着陆器将是最新的一长串机器人任务，试图解开火星过去的秘密。此外这些特派团将进行关键的调查，这将为最终返回地球的样品返回工作铺平道路，更不要说到表面上了！
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：ESA
作者：Matt Williams
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：Universe Today
编译：中子星
审校：博科园
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