飛向“烏托邦”
——“天問一號”奔向火星的漫漫長旅

文/ 陳立 制圖/ 丁潔

一道火焰劃過，長征五號火箭載著中國首顆火星探測器，以約11.5 公里/秒的速度脫離地球引力束縛，成為環繞太陽運動的“人造行星”。

飛行約1.4 萬公里后，在近地點高度200 公里的地火轉移軌道上，器箭解鎖，探測器與火箭分別，獨自前行。如果一切順利，它會在2021年5月降落在那顆人類好奇已久的紅色星球上。

月球與地球的距離在36 萬公里～40 萬公里之間，而火星與地球的距離在5600 萬公里～4 億公里之間變化，地火最遠距離約為地月距離的1000 倍。相比月球探測，火星探測具有發射窗口少、火箭推力要求高、飛行時間長、測控通信困難、著陸困難等特點。這使得人類的火星探測之路充滿坎坷，大約2/3 的探測器，特別是早期發射的探測器未能成功完成使命，火星因此也被稱為“航天器墳場”。

讓人期待的奔火之路，實則步步驚心。

從海南文昌起飛到著陸火星烏托邦平原，太空中有著無數雄關漫道……

拼接而成的地火轉移“高速公路”

去遙遠的火星，探測器需要實現最優的軌道轉移，因為它隨身攜帶的燃料非常寶貴。在理想日心二體模型下，霍曼橢圓過渡軌道是從地球到火星最省燃料的轉移軌道，但在具體任務中，受地球、火星、太陽三者的相對位置關系及地球、火星運行規律的影響，還必須考慮光照、測控條件、飛行時間等工程約束來最終確定發射窗口。

目前最先進的探測器從地球飛到火星，大約需要六七個月。地球和火星的會合周期是26 個月，即兩顆行星每隔26 個月接近一次，出現一次“寶貴”的火星探測發射窗口期。今年正好是火星探測活動的窗口期。

此次長征五號火箭發射天問一號火星探測器，火箭與探測器兩大系統均由中國航天科技集團有限公司研制，設計師們通過軌道拼接的方法，讓探測器從地球發射、繞太陽飛行和飛抵火星的軌道，在不同的天體引力范圍邊界處銜接起來，形成從地球發射到火星環繞的完整連續軌道，又稱地球—火星轉移軌道。

火星探測器由著陸巡視器和環繞器組成，著陸巡視器包括進入艙和火星車，由著陸緩沖、GNC、傘系減速、火星車結構與機構、有效載荷等分系統組成，環繞器由GNC、太陽翼、推進、有效載荷等分系統組成。這些分系統將密切配合，讓探測器在地面飛控人員的幫助下，開展奔火飛行。

被火星引力場捕獲

地火轉移軌道如同一條長途高速公路，探測器以第二宇宙速度在這條高速路上全速前進約7 個月，直到火星出現在眼前。

探測器在經過長途飛行后，如何成功被火星的引力場捕獲，是這次探火任務的關鍵難點之一。“不被捕獲，探測器就飛過去了，所以這個捕獲很關鍵。”航天科技集團科技委主任包為民院士說。

探測器在地火轉移軌道飛行期間，需要經過4 次中途修正和一次深空機動，在臨近火星時“剎車”減速，預計2021年2月中旬被火星引力場捕獲。

由于探測器在地火轉移軌道上的長時間無動力飛行，微小位置速度誤差會逐漸累計和放大，所以必須在合適的時機進行中途軌道修正，以保證探測器最終能夠準確進入制動捕獲的軌道窗口，這需要GNC（制導、導航與控制）分系統完成精確的飛行軌道計算和中途修正控制。

天問一號火星探測任務需要選擇合適的制動捕獲策略，因為飛往火星的制動捕獲機會只有一次，唯有準確、可靠地完成既定控制指令的執行，才能使探測器形成環繞火星飛行的狀態。

假如捕獲失敗，探測器將與火星擦肩而過。

“剎車”進入火星停泊軌道

順利被火星引力場捕獲后的探測器，需要通過“剎車”降軌，進入火星停泊軌道。

首先探測器會進行近火點制動，進入周期約10 個地球日的火星捕獲軌道。這是一條環繞火星的大橢圓軌道，在這條軌道上，探測器距離地球約1.92億公里，和地球的數據傳輸單程時延10 分鐘左右。之后，探測器降軌進入軌道周期約2 個火星日的火星停泊軌道，開展對著陸區的預先探測。

在進行科學與工程的權衡之后，本著工程實現風險低、科學探測價值高的原則，天問一號火星探測任務的首選著陸點位于火星烏托邦平原南端，屬于赫斯伯利亞紀晚期的低地單元（東經110.318 度，北緯24.748 度）。

探測器預計在火星停泊軌道上飛行近3 個月，一次次從烏托邦平原上空掠過，觀察著陸點并對著陸區進行預先探測，等待進入火星窗口來臨的那一刻，擇機釋放著陸巡視器。

天問一號探測器是由環繞器和著陸巡視器上下串聯組成的。其中，環繞器有一對張開的太陽翼“翅膀”，外形像一顆衛星，兼具遙感探測和中繼通信功能；進入艙外形像一個鐘罩，也像載人飛船返回艙；藏在進入艙里面的火星車則是箱板式“蝶”形構型，兩側的4 塊太陽能電池板展開后，如蝴蝶舒展翅膀。

環繞器和著陸巡視器一旦分離，意味著難度最大、也是最危險的火星著陸環節即將到來。

環繞器的兩次“變身”

環繞器和著陸巡視器的分離過程并不簡單。探測器將在飛抵近火點前約5小時的時候實施降軌，一步步靠近火星；降軌后約2 小時，著陸巡視器與環繞器分離。屆時探測器距離地球約3 億公里，和地球數據傳輸單程時延近20 分鐘。

然后，兩器都將依靠GNC 分系統，上演一系列太空芭蕾般的動作。環繞器需要迅速升軌，返回到火星停泊軌道，以避免撞向火星；著陸巡視器則采用“彈道-升力式”進入火星大氣層，再經過減速，軟著陸火星。

這次分離并不是永別，接下來兩器還要默契協作。環繞器在火星停泊軌道上飛行1 圈后會“剎車”進入軌道周期約8 小時的中繼通信軌道。在這條軌道上，它將化身“中繼通信衛星”，為火星車提供中繼通信鏈路，幫助它與地球搭建通信橋梁，同時兼顧開展科學探測。

火星表面巡視探測任務結束后，環繞器將降軌到橢圓形的遙感使命軌道，又變身為“遙感衛星”，繞火星飛行約1 個火星年，完成火星全球遙感探測任務，同時兼顧火星車中繼通信。

因為探測器距離地球遙遠，飛行時間長，同時受地球、火星、探測器相對運動和地面測控站分布的影響，測控通信難以全空間覆蓋。距離遙遠，導致測控信號傳輸時延大，單程時延最長約23 分鐘。

信號在傳輸介質中傳播時，會有一部分能量轉化成熱能或者被傳輸介質吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這種現象稱為衰減。相比月球，火星和地球間的信號衰減更嚴重，測控及數據傳輸碼速率低于月球探測1～2個量級以上。

在執行近火捕獲、兩器分離等決定任務成敗且只有一次機會的軌道控制任務時，探測器信號單程時延10 分鐘以上，地面無法實時測控干預，探測器只能自主執行預先注入的指令，一旦發現問題，必須在極短時間內進行自我診斷，排除故障。

這一路闖關奔火，飛行動作環環相扣，對于探測器自主能力的考驗是空前的。

險象環生的EDL 過程

重約1.3 噸的著陸巡視器從進入火星大氣層到降落到火星表面，整個過程大約只有9 分鐘，時間很短，卻是整個飛行任務中的壓軸難題。過去的人類火星探測任務中，共有17 次嘗試著陸火星，只有8 次成功（均由美國實施），成功率47.1%。

著陸巡視器在奔火途中一直處于高速飛行狀態，所以軟著陸火星的進入、下降、著陸過程（又稱“EDL”），需要經歷氣動減速、傘系減速、動力減速、著陸緩沖4 個階段，逐步減速。在大約9 分鐘的時間里，著陸巡視器要執行升力控制、彈傘開傘、拋大底、拋背罩、懸停、避障和著陸緩沖等一系列動作，時間短、動作多，地球上的飛控人員無法實時干預，航天器只能通過預先注入的指令自主進行導航、制導與控制。

EDL 過程中面臨的火星環境存在較大不確定性，相比月面軟著陸更為困難：一是在進入火星大氣層初期，著陸巡視器的初始狀態（軌道、姿態）存在一定的不確定性；二是在下降和著陸過程中，存在風和沙塵的干擾；三是由于缺乏著陸點地形細節的高分辨率圖像，著陸敏感器的測量結果存在很大的不確定性。所以此次增加了氣動減速和傘系減速的環節，對航天器的導航、制導和控制提出了更高要求，控制環節更為復雜。

包為民介紹，我國以探月工程中的技術經驗作為基礎，著陸巡視器從4.8公里/秒的速度，到軟著陸速度降為0，這個過程中包含4 個減速段。

第一個是氣動減速段，把速度從4.8公里/秒減速到460 米/秒，相當于來了一個急剎車。火星大氣的成分、密度、分布等與地球截然不同，航天科技集團的研制團隊進行了大量風洞試驗，開展著陸巡視器氣動外形設計與優化、火星大氣進入氣動力和熱特性預測算法研究等工作，以此為基礎進行氣動外形結構和熱防護設計。

接下來是傘系減速階段。著陸巡視器將在約11 公里的高度打開降落傘，進一步將下降速度減小到約95米/秒，并完成拋大底、著陸緩沖機構展開、拋背罩等動作。著陸緩沖機構展開，猶如伸開四條腿，做好降落準備。

因為火星大氣稀薄，大氣密度又極低，需要著陸巡視器在超音速條件下開傘。降落傘設計的約束條件，與地球返回式衛星和載人航天工程采用的降落傘截然不同。所以，火星降落傘要全新設計和驗證。為此，航天科技集團的研制團隊開展技術攻關，進行了火箭彈高空開傘試驗等大量驗證試驗，設計了適合火星大氣環境的降落傘。

隨后進入到動力減速段。著陸巡視器上的7500牛反推發動機點火工作，將著陸前的垂直速度降到約1.5 米/秒。包為民介紹，“在100 米的高度要完成一個懸停避障的動作。這個時候已經速度很慢了，懸停時，著陸巡視器相對于地面的速度就是0 了。”

最后在著陸緩沖階段，依靠4 套著陸緩沖機構完成軟著陸。

此前，我國在河北懷來的亞洲最大地外天體著陸綜合試驗場開展著陸器懸停避障試驗。試驗模擬了火星重力環境（火星重力加速度約為地球的1/3）和著陸巡視器在火星環境下懸停、避障、緩速下降的過程。通過懸停在空中，著陸巡視器可對火星表面進行觀察，為選定著陸點做最后的準備。“100 米的高度已經比較低了，可以看一下地面有沒有坑，大的石頭，有的話就避開它。”包為民說。

這就如同體操選手在空中完成令人眼花繚亂的高難度系數動作之后，必須穩穩當當地落地，才能拿到高分。

預計著陸后的第八個火星日，中國首輛火星車將緩緩駛下著陸平臺，在烏托邦平原上軋下第一道印記。