揭秘天问一号的火星之旅

陈海波

2020-07-24 11:02:26　来源：光明日报

　　7个月，这是一趟漫长又艰难的旅程。

　　人类对火星的探测起步于20世纪60年代，目前已实施40余次探测任务，但只成功20余次，成功率约50%。

　　荧惑，这是中国古人对这颗红色星球的称呼。“荧”代指火星由于土壤富含氧化铁而发出的红光；“惑”则出于古人对火星运行缺乏规律而感到的困惑，由于轨道和公转速度的差别，从地面上来看，火星运行时快时慢时明时暗，有时逆行也有时顺行，令人捉摸不定。

　　是的，正如这个名字一样，去往火星的漫漫长途也充满不确定性。在接下来的7个月里，天问一号需要迎难而上。

　　“发射成功只是第一步，后面的路还很漫长。”国家航天局探月与航天工程中心深空探测工程总体部部长耿言说。

　　火星探测难在哪儿

　　1962年，人类迈出火星探测的第一步。这一年，苏联发射“火星1A号”探测器，但在飞往火星的途中与地面失去联系，最终失败。此后，苏联的“火星1号”与美国的“水手3号”等火星探测器探测任务也宣告失败。

　　直到三年后，美国的“水手4号”首次完成火星飞越，成为首例成功探测火星的人造卫星。此后，包括“水手6号”在内的多颗探测器顺利完成任务。尤其是1971年发射的苏联“火星3号”探测器，成功登陆火星。20世纪90年代以后，火星探测更加频繁，“火星快车”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等多颗探测器飞向火星。然而，火星探测的成功率到目前只有50%左右。

　　火星探测到底难在哪儿？

　　首先是距离远。火星距离地球最远时有4亿公里，最近时大约5500万公里。作为对比，月球离地球最近时36万公里，最远时40万公里。也就是说，即使火星离我们最近时，也要比月球远一百多倍。人类探测器从地球飞到火星，大约需要7个月的时间。

　　由于距离遥远，地球与火星之间的信号传输会有长时间的时延。“当火星离我们最远时，从地球发一个指令，要20多分钟才能到达火星。即使在距离最近时也要几分钟才能到，远比从地球上发指令到月球上的时间长得多。”国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰解释，时延比较长，给火星探测的测控通信带来很大挑战。探测器在火星着陆时间仅7分钟左右，由于时延，无法实时操控，探测器必须自主完成着陆。

　　其次是发射窗口小，机会少。刘彤杰说，要让航天器飞4亿公里，“人类现在还没有能力做到，而且也没有必要”，我们可以等火星距离地球较近的时候发射探测器。但受天体运行规律的影响，这样的发射机会很少，大约每隔26个月才有一次，每次有一个月左右的发射窗口，“比探测月球的窗口要小得多，严苛得多”。

　　再次是着陆难度大。火星上存在稀薄的大气，探测器着陆时必须穿过大气，这个过程会产生几千摄氏度的高温。着陆时既需要隔热罩，也需要配备降落伞进一步减速。而且，随着探测器往下降，其推力、方向会发生变化。“不像在月球上探测，不用降落伞，用反推发动机就可以，在火星上着陆需要用变推力发动机。”刘彤杰说，减速下降和着陆火星的过程，被称为“黑色7分钟”。

　　此外，前往火星还需要推力更强的运载火箭。天问一号任务是我国长征五号系列运载火箭首次应用性发射，将探测器直接送入地火转移轨道。“以前我们探月，最远是到地月轨道，处于地球的引力圈。现在要到火星，不仅有地球，还有太阳和火星的引力影响，因此这次火箭系统有很大的变化。”首次火星探测任务工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠解释。

　　一次实现“绕、着、巡”，难上加难

　　火星探测很难，要一次实现“环绕、着陆、巡视探测”（以下简称“绕、着、巡”），难上加难。

　　很多人对我国探月工程“绕”“落”“回”三步走战略很熟悉，这些目标是通过实施多次探月任务而分步骤实现的。面对难度更高的火星探测，我们却要多步并作一步走。

　　据国家航天局介绍，我国首次火星探测任务天问一号探测器由着陆巡视器（进入舱和火星车）和环绕器组成。此次任务要一次实现“绕、着、巡”三步走，即对整个火星进行全球观测、成功着陆火星，以及火星车进行巡视探测。目前，国际上只有美国实现了火星环绕、着陆、巡视探测，但不是一次实现，而是分几次任务实现的。

　　据介绍，天问一号飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等六个阶段。探测器发射后，将被火箭送入地火转移轨道。器箭分离后，探测器的太阳翼和定向天线将相继展开，在测控系统支持下朝火星飞去，约7个月抵达火星。

　　在这个漫长的旅途中，探测器将进行深空机动和中途修正，即不断调整飞行方向。“因为发射的时候方向可能对得不是非常准，飞行的过程中会调整方向，更准确地飞向火星，然后和火星交汇，由火星的重力来捕获它。”刘彤杰解释。

　　探测器进入环火轨道并经过制动后，要进行2至3个月的环绕飞行，然后择机进入火星。在着陆前，会在着陆区上空对着陆区开展探测。接着，探测器择机实施降轨机动，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信。着陆巡视器进入火星大气，依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作，着陆于火星表面。

　　着陆后，火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台，开始巡视探测。着陆巡视器安全着陆后，环绕器进入中继轨道，为火星车提供中继通信，兼顾科学探测。火星车完成探测任务后，环绕器进入使命轨道，开展火星全球遥感探测，兼顾火星车扩展任务中继通信。

　　火星距离遥远，为了确保探测数据能有效传回地球，我国在为探月工程而建的测控站之外，又新建了3台测控站。“这样可以4台联网天线组阵，测控能力更强，能够实现火星距地球最远4亿公里时的测控通信。”刘彤杰说，这在测控技术上是很大的突破。

　　上面每一个环节，都不能发生丝毫错误。“如果天问一号探测器能顺利在火星表面着陆，我们将是国际上第一个通过一次发射实施火星探测‘绕、着、巡’的国家。”刘彤杰坦言，难度非常大，但也有信心。他认为，通过探月工程的实施，我国已具备了一步实现“绕、着、巡”的能力。

　　“跳一跳，够得着。”耿言如此形容天问一号任务的难度。

　　多种探测，争取对火星建立全面而基础的认识

　　就像人类历次火星探测一样，在去往火星的漫漫旅途中，天问一号也将接受各种考验。不过，好奇的人们已经对天问一号未来在火星上的工作充满遐想和期待。

　　半个多世纪以来，尽管任务艰难，但人类对火星的探测不曾却步，而且取得了丰富的成果。发现火星曾经有水，甚至现在还存在水的若干证据，极大激发了人们在火星寻找生命的热情，也成为当前国际深空探测的热点。

　　“虽然美国、俄罗斯等国家已经对火星进行了很多探测，但人类对火星的认识还不是很深入和全面。因此，我们根据国外的研究情况，结合中国对火星的认识，专门选取对火星的大气、气象、地质等方面进行探测，并配备相应的科学载荷。”刘继忠介绍。

　　天问一号的环绕器和火星车均可开展探测，环绕器携带7台科学仪器，包括高分辨率相机、矿物光谱分析仪、磁强计、次表层雷达等；火星车携带6台仪器，包括多光谱相机、表面成分探测仪、气象测量仪等。通过这些科学仪器，可实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等方面的科学探测，有利于建立起对火星全面而基础的认识。

　　此外，为保护火星，避免把地球的微生物带上火星，天问一号探测器采取了洁净化处理。“比如探测器在总装厂房总装时，工作人员都要穿防护服，防止微生物沾上探测器。”刘彤杰告诉记者，此次任务还成立了行星保护领导小组，负责相关工作。

　　对火星的探测和研究不仅局限于火星本身，还包括火星与太阳系的演化，以及对地球的认识。“我们虽然在地球上，但仅仅在地球上去认识地球肯定是不够的。”刘继忠说。

　　当然，这一切的前提是建立在天问一号能顺利抵达火星的基础上。此刻，我们只能等待。等待7个月后，天问一号从火星给我们带来问候。

编辑：迟语洋

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