? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 航天時(shí)代?火星探索?中國(guó)首次火星之旅（一）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2021-07-06? ?青野云麓?

2020年“中國(guó)航天日”線上啟動(dòng)儀式上，國(guó)家航天局正式公布：中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)命名為“天問系列”，首次火星探測(cè)任務(wù)命名為“天問一號(hào)”。消息一經(jīng)傳出，引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注，人們紛紛熱議這次火星探測(cè)之旅。

火星，這顆赤色星球，古往今來(lái)都充盈著迷人色彩。它是太陽(yáng)系中距離地球較近、自然環(huán)境與地球最為類似的行星之一，一直以來(lái)都是人類深空探測(cè)的熱點(diǎn)。從1961年至今，人類已實(shí)施火星探測(cè)活動(dòng)達(dá)44次，但成功和部分成功的任務(wù)一共僅有22次。

這次，中國(guó)來(lái)了。

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火星，地球的前世還是未來(lái)

不滿足于地球的懷抱，人類將目光投向深遠(yuǎn)的太空。

在太陽(yáng)系，火星的自然環(huán)境與地球最為接近，兩者幾乎都形成于約45億年前，組成結(jié)構(gòu)也大致相同，有核、幔、殼。

火星與地球有著相似的自轉(zhuǎn)周期，一個(gè)火星日大約是24小時(shí)39分鐘，而且它還和地球一樣，也有四季更迭。

但是，從人類目前掌握的有限情況看，兩者之間又有著顯而易見的不同：從外形上看，火星個(gè)頭更小，它的半徑約為地球的1/2，體積約為地球的1/7。

與我們這個(gè)71%海洋覆蓋率的藍(lán)色星球不同，火星表面呈現(xiàn)出紅色，在它最明亮的時(shí)候猶如一團(tuán)火球。實(shí)際上這一紅色并不是真正的火焰，火星上溫度反而極低，接近于地球的南極。呈現(xiàn)紅色的原因，是火星的土壤富含氧化鐵，就像是土地生了銹。這種土壤的形成，是風(fēng)與水雙重侵蝕作用產(chǎn)生的。由此可見，火星上曾經(jīng)存在過(guò)大量的水和大氣。

時(shí)空流轉(zhuǎn)，這顆與地球同齡的星球，表面怎么變成如此荒漠般模樣？火星是我們的過(guò)往，還是地球未來(lái)的歸宿？或許，它亦可成為人類改造的對(duì)象，在若干年后成為一個(gè)宜居的地外家園？

所有的問題，只有等到我們“身臨其境”后才能一步步得到解答。萬(wàn)眾期待中，中國(guó)首次火星探測(cè)之旅，按計(jì)劃將在今年內(nèi)開啟。

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“天問一號(hào)”，代表中國(guó)向火星“發(fā)問”

“圜則九重，孰營(yíng)度之？”

2000多年前，屈原曾發(fā)出嗟嘆。而今，“天問一號(hào)”將勇敢作答。

2020年4月24日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)命名“天問一號(hào)”。首次火星探測(cè)任務(wù)將于今年在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行。

據(jù)悉，此次發(fā)射要實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，并對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，遙控操作火星車在火星表面開展區(qū)域巡視探測(cè)等任務(wù)?！皟刹讲⒊梢徊阶摺钡臎Q定實(shí)為“彎道超車”，但若能一次實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸、巡視，我國(guó)這一跨越式火星探測(cè)方案將成為全球首次。

能夠成為中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的“主角”，“天問一號(hào)”在結(jié)構(gòu)和性能上有著自己的風(fēng)格：它由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器又分為進(jìn)入艙和火星車。當(dāng)“天問一號(hào)”運(yùn)行到選定的進(jìn)入窗口后，探測(cè)器進(jìn)行降軌控制，釋放著陸巡視器，環(huán)繞器則進(jìn)行升軌控制，進(jìn)入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學(xué)探測(cè)。

著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進(jìn)入火星大氣，通過(guò)傘降和反推發(fā)動(dòng)機(jī)的減速方式，軟著陸于火星表面?；鹦擒噺闹懫脚_(tái)上分離以后，就可以在火星表面開展工作了。

但是，在“天問一號(hào)”進(jìn)入該階段之前，還要經(jīng)歷5個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的階段。

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從“三環(huán)”到“四環(huán)”，跨越的是4億公里

在太陽(yáng)系里，八大行星以太陽(yáng)為核心公轉(zhuǎn)，形成了八個(gè)環(huán)形軌道，其中地球位于“三環(huán)”，火星則在“四環(huán)”運(yùn)行。要想沖出地球抵達(dá)火星，從“三環(huán)”跨越到“四環(huán)”，需要長(zhǎng)途跋涉10個(gè)多月，直線距離突破4億公里的旅程。要經(jīng)歷發(fā)射入軌段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、火星停泊段以及離軌著陸段等5個(gè)階段。

其中，地火轉(zhuǎn)移段指的是從探測(cè)器與火箭分離后，到進(jìn)入火星引力影響球的飛行階段。這一階段是“天問一號(hào)”任務(wù)里耗時(shí)最多的部分，需要近7個(gè)月之久。

經(jīng)過(guò)以億公里計(jì)的奔襲后，“天問一號(hào)”進(jìn)入火星引力影響球，就開始被火星捕獲了。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火進(jìn)行近“火”制動(dòng)，將探測(cè)器的飛行速度降下來(lái)，俯下身段，讓火星捕獲。一旦被火星成功捕獲，探測(cè)器就會(huì)在火星軌道運(yùn)行，成為一顆繞“火”衛(wèi)星。接著，探測(cè)器就開始進(jìn)入火星停泊段。

火星停泊段并不是停泊在火星軌道上不動(dòng)，而是在一個(gè)極軌道上繞“火”飛行。這個(gè)階段要持續(xù)幾個(gè)月，直至探測(cè)器降軌后轉(zhuǎn)入兩器分離階段。

既然已經(jīng)到了火星軌道，為何還要繞飛數(shù)月而不是直接落“火”呢？

原來(lái)，這個(gè)階段的繞“火”飛行，就是為了給地面控制環(huán)繞器上的高分相機(jī)對(duì)首選著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)勘察，并拍照成像。經(jīng)歷多圈精準(zhǔn)成像后，我們看清了“落腳點(diǎn)”，才能更好地控制“天問一號(hào)”準(zhǔn)確著陸到理想?yún)^(qū)域。

看清目標(biāo)以后，就要開始離軌著陸。這一階段是火星探測(cè)任務(wù)成敗的關(guān)鍵，尤其是從進(jìn)入火星大氣層到著陸，有著令人擔(dān)憂的“恐怖7分鐘”——在人類現(xiàn)有的44次火星探測(cè)中，能夠安全度過(guò)這7分鐘的僅有9次。

我國(guó)想要在首次火星探測(cè)任務(wù)中就克服這一艱難過(guò)程，并讓火星車在“火”面持續(xù)工作3個(gè)月，所面臨的挑戰(zhàn)亦如可能獲得的成就一樣，都是前所未有的。

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掌握新技術(shù)，迎接新挑戰(zhàn)

嫦娥四號(hào)登陸月背，中國(guó)航天跨越了38萬(wàn)公里的距離，經(jīng)歷了10余年、4個(gè)型號(hào)任務(wù)的不懈努力，才得以“圓夢(mèng)廣寒宮”。如今，“天問一號(hào)”面臨的是1000多倍于地月的距離，1/4的準(zhǔn)備時(shí)間，一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”3個(gè)目標(biāo)。

跨越式突破，注定會(huì)帶來(lái)更多更新的難題。對(duì)北京航天飛行控制中心（簡(jiǎn)稱北京中心）的任務(wù)型號(hào)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，必須勇闖難關(guān)、贏得挑戰(zhàn)：

采用超大變時(shí)延開環(huán)控制技術(shù)——壓縮地火時(shí)空距離。火星探測(cè)器距離地球最遠(yuǎn)達(dá)4億公里，一個(gè)信號(hào)往返地球與航天器用時(shí)可達(dá)44分鐘，超大的時(shí)間延遲讓地面無(wú)法沿用以往任務(wù)中的實(shí)時(shí)控制模式。為了突破這一“瓶頸”，北京中心采用超大變時(shí)延開環(huán)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了全新的超遠(yuǎn)距離測(cè)站捕獲模式。

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采用地火空間精密定軌與預(yù)報(bào)技術(shù)——全面掌握“天問一號(hào)”位置。雖然我們知道，火星探測(cè)任務(wù)在測(cè)軌數(shù)據(jù)處理及修正方法、時(shí)空參考框架、軌道動(dòng)力學(xué)模型等許多方面，與以往近地飛行和探月任務(wù)有很大不同，但之前的任務(wù)積累還是為“天問一號(hào)”提供了助力。型號(hào)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了首次火星任務(wù)軌道動(dòng)力學(xué)公用庫(kù)和精密定軌原型軟件，以仿真打靶的方法完成全過(guò)程定軌預(yù)報(bào)精度分析。他們利用嫦娥二號(hào)拓展試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了地火轉(zhuǎn)移段的部分軌道精度，確認(rèn)了當(dāng)前模型的算法設(shè)計(jì)能夠滿足任務(wù)軌道確定的精度。能夠?yàn)榛鹦侨蝿?wù)提供探索經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持，相信奔向更遠(yuǎn)深空的嫦娥二號(hào)應(yīng)該也會(huì)“備感欣慰”。

采用火星車遙控操作任務(wù)規(guī)劃技術(shù)——精準(zhǔn)遙控、科學(xué)開車。經(jīng)過(guò)玉兔一號(hào)、玉兔二號(hào)的熟練操作，北京中心已經(jīng)擁有了一個(gè)熟練的“月球車駕駛員”團(tuán)隊(duì)。但是面對(duì)更遙遠(yuǎn)、環(huán)境更復(fù)雜的火星，要想“開”好這輛火星車，又會(huì)是一個(gè)新挑戰(zhàn)。火星車具有一定的自主能力，但是它要前往的目的地、選擇的路徑以及路途中的各種動(dòng)作，都需要地面工作人員提前告訴它。在這方面，操作團(tuán)隊(duì)就要扮演好“先知”的角色，通過(guò)對(duì)當(dāng)前火星車所處環(huán)境的掌握、分析和規(guī)劃，預(yù)測(cè)路徑的安全性，否則石塊、沙丘都可能對(duì)它造成“致命傷”。