2021年2月24日，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器在成功實施第三次近火制動后，進(jìn)入近火點280千米、遠(yuǎn)火點5.9萬千米、周期2個火星日的火星停泊軌道，預(yù)計將在這條軌道穩(wěn)定運行3個月左右。那么，停泊軌道到底是什么?
停泊軌道：航天器短暫停留，更好過渡
停泊軌道并不是航天器最終飛行軌道，它是一條讓航天器在發(fā)射后駐留，以便擇機進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移的中間過渡軌道。當(dāng)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(fā)射窗口，火箭在準(zhǔn)備時要盡力抓住這個寶貴的機會執(zhí)行航天發(fā)射任務(wù)。但受限于航天發(fā)射場的地理位置或最佳窗口過于狹窄等因素，即便抓住窗口后航天器依然很難一次性進(jìn)入目標(biāo)軌道，必須依賴停泊軌道進(jìn)行過渡。
人類絕大部分航天發(fā)射場都處于北半球中低緯度區(qū)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(jìn)入理想軌道，需要火箭和航天器不斷在近地點、遠(yuǎn)地點調(diào)整軌道傾角和軌道高度，需要數(shù)個軌道進(jìn)行過渡;對于載人航天交會對接任務(wù)亦是如此，發(fā)射后載人飛船立即與目標(biāo)空間站對接要求的發(fā)射窗口僅為1秒左右，這對于確保載人任務(wù)成功率是個極大的挑戰(zhàn)，而采用發(fā)射后先不對接、逐漸調(diào)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(fā)射后航天員往往需要兩天時間用于“停泊”，等待最佳時機。
深空探測領(lǐng)域亦是如此。這種任務(wù)往往耗時不菲、代價巨大，為了最大限度確保任務(wù)成功率，采用停泊軌道進(jìn)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(wù)時，停泊軌道就已經(jīng)運用
停泊軌道的英文術(shù)語是Parking Orbit，或許用停車(Parking)作為類比說明更為直觀：瞄準(zhǔn)目標(biāo)停車位后，預(yù)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(diào)，入庫的成功率會大大增加。
駐留期間：詳細(xì)勘探，伺機著陸火星
“天問一號”是中國首次火星探測任務(wù)，也是個高度復(fù)雜的任務(wù)，將一次性實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三大工程目標(biāo)，以及通過13臺科學(xué)儀器對火星進(jìn)行全方位科研，任務(wù)整體難度巨大。此前中國對火星的詳細(xì)了解有限，目標(biāo)著陸區(qū)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，著陸器/巡視器組合體也必須依賴穩(wěn)定運行的環(huán)繞器才能成功。因而，入軌火星后必須采取分步走的策略。
“天問一號”于2月10日近火制動、成功進(jìn)入了周期約10個地球日的低傾角大橢圓環(huán)火軌道，隨后于2月15日遠(yuǎn)火點機動調(diào)整軌道傾角，成功進(jìn)入了能探測火星全球的高傾角橢圓環(huán)火軌道，然后就是本次進(jìn)入停泊軌道的操作，多個操作確保了環(huán)繞器的穩(wěn)定運行和后續(xù)的對火觀測。
3月4日，國家航天局正式公布首批“天問一號”拍攝的全色圖像，分辨率約0.7米，成像區(qū)域內(nèi)火星表面小型環(huán)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(huán)繞器的7臺載荷已經(jīng)全部開機進(jìn)行初步的科學(xué)探測，實現(xiàn)地球和火星之間的穩(wěn)定通信，為未來著陸火星的巡視器提供信號中繼服務(wù)。每隔兩天時間，它抵達(dá)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(yù)選著陸區(qū)域的地形地貌、沙塵天氣等進(jìn)行詳查，評估火星環(huán)境和著陸時機可行性。
在經(jīng)過3個月左右的詳細(xì)勘察后，環(huán)繞器將進(jìn)行一定軌道調(diào)整并與著陸器/巡視器組合體擇機分離，后者開始獨立的約7分鐘火星著陸過程。由于火星和地球之間的漫長距離導(dǎo)致幾十分鐘通信時延，航天人不可能控制著陸過程，而必須讓著陸器全自主完成這“黑色七分鐘”旅程。