出品/星动无极

NASA在11月9日宣布,ESCAPADE任务的两颗探测器分别于美国东部时间11月7日凌晨5时与11月9日凌晨6时完成动力地球飞掠。两次飞掠各执行了约9分钟的跨火星注入点火,第一颗距地表约1000英里,第二颗约650英里。两颗探测器由此进入奔赴火星的轨道,预计2027年9月抵达。

这两次点火的技术含义在于把引力弹弓和发动机点火叠在一起用。常规的引力弹弓只借行星引力改变方向与速度,不点火;动力飞掠要在最近点附近同时点火,把火箭的推进增量叠加到引力加速上。NASA总部太阳物理部代理副飞行主任Asal Naseri的说法是,这是NASA首次用动力地球飞掠把探测器送往火星,两天内连续执行两次。

任务的起点在一年前。两颗探测器于2025年11月13日从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地发射,当时地球与火星分处太阳两侧,直飞窗口不成立。探测器没有直接奔向火星,而是进入一条绕日地拉格朗日L2点的徘徊轨道,轨道形状像一颗豆子,在等待地火位置合适的这段时间里反复穿过地球磁尾。

轨道设计的价值在于发射窗口的灵活性。Advanced Space任务设计负责人Jeff Parker说,这个策略提供了几乎随时可以发射的灵活性,再用地球引力获得去火星的助推,不必每26个月等一次直飞窗口。对科学任务来说,探测器因此可以在更短的周期内立项、建造、发射,不必被行星排列绑死。

两颗探测器在徘徊轨道期间已经做过观测。它们多次穿过地球磁尾,采集了太阳风与地球磁场相互作用的數據。在为期10个月的巡航段,它们会继续研究地球与火星之间的太阳风动力学,并执行一系列轨道修正机动,确保入轨精度。

火星段的科学目标是大气逃逸。两颗探测器进入火星轨道后将以编队飞行,同时测量太阳风与火星环境的相互作用。太阳风是从太阳以每小时百万英里速度流出的物质流,火星没有全球磁场保护,大气被太阳风剥离的过程至今没有双点同步观测数据。首席研究员、加州大学伯克利分校的Rob Lillis说,这将是首个在两颗轨道器之间编排动作的火星任务,也是首次能从两个位置同时观测火星环境。

入轨动作已经排定。两颗探测器将分别于2027年9月7日与9月9日执行火星轨道插入点火,各点火约11分钟减速。之后用几个月时间调整到第一个科学编队,科学运行预计2028年6月开始;六个月后两星转入不同轨道,进行为期五个月的科学 campaign,一颗观测来流太阳风,另一颗观测火星的实时响应。

两颗探测器采用同一套设计,制造与测试按批产方式组织,这是低成本行星科学任务的常见做法。相同的平台让两颗星的故障模式一致,地面测试的数据可以互相复用,代价是编队观测的科学目标必须迁就同一套载荷配置。

这项任务的组织方式值得单独看一眼。探测器由加州大学伯克利分校主导,Advanced Space负责任务设计,NASA总部太阳物理部管理,属于低成本行星科学任务的典型配置。两颗相同的探测器分摊了设计成本,编队观测又带来了单星无法获得的科学产出,这种以小博多的结构在近年NASA的行星科学项目里出现得越来越频繁。

动力飞掠的代价是燃料与风险。跨火星注入点火要在最近点附近完成,点火时机的容差以秒计,任何一次提前或延后都会改变抵达火星的时间与入轨燃料预算。两次点火连续成功,说明探测器的推进系统与自主导航在实战条件下通过了检验。

NASA近年的低成本行星科学任务倾向于双星或三星编队,原因在数据获取方式上。单星只能在一个位置采样,双星可以同时测量来流与响应,把太阳风与火星大气之间的因果链拆开。这种观测设计对轨道控制精度要求更高,两颗星的位置偏差要控制在预定范围内。

从工程角度看,这次飞掠还验证了一件事:深空任务的发射窗口可以被轨道设计部分解耦。过去火星任务的发射窗口每26个月一次,错过就要等两年;动力飞掠把等待期改成在地球附近的徘徊轨道上度过,探测器先发射、后等窗口,研制节奏与发射节奏可以分开安排。

对商业航天的参照意义在于小行星与月球以远的任务设计。国内商业航天目前的深空探索多集中在月球,火星以远的任务仍以国家项目为主。动力飞掠这类轨道设计方法的公开,降低了深空任务在窗口选择上的刚性约束,对运载方与探测器研制方都是松绑。

两颗探测器还要飞十个月。巡航段的主要工作是轨道修正与设备校准,任何一次修正偏差都会压缩入轨的燃料余量。2027年9月的两次入轨点火,才是这项任务真正的考验。