八大關(guān)卡：“天問一號”到了哪一關(guān)

毛新愿

第一關(guān)：必須抓住的發(fā)射窗口

跟火星比起來，地球距離太陽更近，環(huán)繞太陽一周需要約365天，火星則需要約687天。這種“不同步”導(dǎo)致地球和火星之間的距離在時刻變化，從5 500萬千米到4億千米不等。從地球視角來看，二者每約780天才會合一次：在780天內(nèi)地球繞太陽運行了2周49°，恰好超過了火星一周，二者距離達到一次最近。

人類航天雖然經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展，但運載火箭依然以利用化學(xué)能為核心，遠達不到科幻電影中無視星際旅行距離“橫沖直撞”的設(shè)定。因而，火星探測器的發(fā)射時間要求很苛刻，必須在每次地球和火星會合之前幾個月、火星相對于太陽的位置領(lǐng)先于地球特定角度的時候出發(fā)，瞄準6～11個月之后火星的位置，開啟火星探測之旅。

由于每次地球和火星會合機會帶來的理想探測窗口僅有一個月左右，探測任務(wù)如果趕不上出發(fā)，就要等待26個月后的下一次機會。這對于存在設(shè)計壽命且有著巨大保管維護成本的探測器而言，是很難接受的。

第一關(guān)，“天問一號”已經(jīng)完美通過！

第二關(guān)：強力的運載火箭

在人類航天探索中，航天器的速度是最重要的核心。

想實現(xiàn)火星探測，意味著探測器不僅要突破第二宇宙速度，完全擺脫地球引力，還要在此基礎(chǔ)上進一步加速，在抵達火星前盡力擺脫太陽引力的巨大影響，而太陽的質(zhì)量是地球質(zhì)量的30余萬倍。這對探測火星的運載火箭要求極高，基本都是各國最為強力的火箭系列。即便如此，探測器占火箭總體質(zhì)量的比例都在1%以下，絕大部分質(zhì)量都用于裝載推進劑，這是人類航天夢想的巨大代價。

對于總重5噸左右的“天問一號”而言，帶它前往火星的就是長征系列中最強的長征五號遙四運載火箭。

第二關(guān)，長征五號遙四運載火箭托起“天問一號”飛向火星的夢想已經(jīng)實現(xiàn)！

第三關(guān)：霍曼轉(zhuǎn)移軌道

1925年，德國航天工程師瓦爾特·霍曼博士提出了著名的霍曼轉(zhuǎn)移軌道。他或許沒有想到，這個理論成為后來人類幾乎所有火星探測任務(wù)的基礎(chǔ)。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道理論認為：在從地球出發(fā)時（假設(shè)地球、火星均為圓軌道），探測器需要達到32.7千米/秒的速度，超過地球本身的運動速度（29.8千米/秒），加速；在抵達火星時，探測器速度為21.5千米/秒，低于火星運動速度（24.1千米/秒），再次加速。不過由于火星引力加速和大部分任務(wù)目標是環(huán)繞火星等原因，“再次加速”實際上是在火星附近的制動工作，以切入環(huán)繞火星軌道。飛行過程中，為應(yīng)對外力可能造成的軌道偏移，也僅需推進系統(tǒng)進行短暫的工作微調(diào)，絕大部分時間自由飛行。

整體上，霍曼轉(zhuǎn)移方案非常簡單，軌道是半個橢圓，連接了地球軌道和火星軌道，全程需6～11個月時間。它能夠最大限度節(jié)省推進劑，最大限度減少操作，是人類火星之旅的最優(yōu)方案。

第三關(guān)，“天問一號”已經(jīng)在切入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的路上。

第四關(guān)：深空導(dǎo)航制導(dǎo)與控制

茫茫深空，漫漫長路，此前各個探測任務(wù)采用的霍曼轉(zhuǎn)移軌道普遍在4億～7億千米的長度，6～11個月的旅程。“天問一號”的軌跡耗時7個月左右，預(yù)計于2021年2月中才能抵達火星，需要走過的路已經(jīng)遠遠超過了中國此前的航天任務(wù)。

一方面，在出發(fā)階段，需要陸基測控站和萬噸級遠望系列航天測量船全程保駕護航。出發(fā)后，需要龐大的深空探測天線網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個天域，保證它在整個探測火星過程中都能跟地球有效通信。要知道，“天問一號”距地球最遠的時候，地球和火星距離將達到 4億千米，這個距離單程都需要光速飛行22分鐘！另一方面，“天問一號”也需要自主導(dǎo)航和控制，精準確定自身位置和姿態(tài)。例如利用恒星敏感器把自己的姿態(tài)確定到角秒級的精度。

第四關(guān)，地球上的中國航天人和太空中的“天問一號”正常通訊中。

第五關(guān)：“繞”“落”“巡”，一個都不能少

人類探測火星60年來，共有四種任務(wù)類型：驚鴻一瞥的“飛掠”，登高望遠的“環(huán)繞”，觀天測地的“降落”和自由移動的“巡視”。其中，“飛掠”僅是在早期技術(shù)不成熟或其他任務(wù)兼職探測火星時使用，另外三種是近些年來的任務(wù)類型主力。

其中，環(huán)繞器（軌道器）能長期環(huán)繞火星，采集海量的數(shù)據(jù)，全方位研究火星磁場、大氣、重力場、水、淺層土壤、地質(zhì)地貌等方面，還能起到信號中繼作用，服務(wù)于降落在火星表面的著陸器和巡視器。著陸器能仔細研究火星表面的各種細節(jié)，但由于重量和自身能量限制，無法移動和自由巡視。巡視器可以隨處移動，意義不言而喻，它的質(zhì)量能更多集中于科研載荷，從事多地點、多方面的精細研究。

一般而言，火星探測任務(wù)都會采取“繞”“落”“巡”分開的形式以降低難度。即便如此，幾十年來人類探測火星的任務(wù)成功率僅有一半左右。而這次“天問一號”的選擇是：“‘繞‘落‘巡我都要！”它包括了環(huán)繞器、著陸器和巡視器三個部分。

第五關(guān)，極度復(fù)雜的火星探測任務(wù)正在路上。

第六關(guān)：切入軌道，靜待時機

經(jīng)過近7個月的長途旅行后，預(yù)計在2021年2月中旬，火星將出現(xiàn)在眼前，“天問一號”也將被火星引力俘獲。環(huán)繞器此時要執(zhí)行最為關(guān)鍵的一步：制動進入環(huán)繞火星軌道。為最大限度節(jié)省推進劑，“天問一號”的三個部分將會整體進入環(huán)繞火星的大橢圓軌道中，沒必要追求更消耗推進劑的圓形軌道。

這個方案不同于進入21世紀后的歐洲兩次類似任務(wù)。它們都是抵達火星后立即分離，著陸部分并不進入環(huán)繞火星軌道。這樣做雖然可以大大降低環(huán)繞器的制動變軌壓力，但代價也是慘烈的：火星快車號和微量氣體探測器任務(wù)的著陸部分均宣告失敗。重要原因之一是，給著陸留下的選擇窗口太短，因而“天問一號”并不采用這種方案。

在隨后環(huán)繞火星的約兩個月內(nèi)，是“天問一號”的環(huán)繞器最為繁忙的時間。它需要逐漸開啟自身的7個有效載荷，認真研究火星表面的情況，反復(fù)確認著陸地點和最優(yōu)著陸窗口。一旦確認后，二者分離，環(huán)繞器繼續(xù)在軌工作，著陸器攜帶巡視器開始最為艱難的火星著陸之旅。

第六關(guān)，環(huán)繞器是重中之重！

第七關(guān)：恐怖7分鐘

由于距離過于遙遠，地球和火星雙向通訊延時將長達幾十分鐘，且火星著陸時間一般僅在7～8分鐘，地面工作人員不可能人工控制復(fù)雜的火星著陸過程，這一切全要靠著陸器自己完成。

火星有大氣，但又特別稀薄。這成了航天人又愛又恨的因素：一方面，可以利用大氣氣動減速，使用降落傘；另一方面，必須找準進入角度，過大著陸器會過熱焚毀，過小會打水漂一樣滑入深空，根本無法著陸。更重要的是，火星大氣的密度太低了，甚至還不足地球大氣層的1%，即便最大極限地利用了火星大氣減速，依然無法把速度降到理想狀態(tài)，要想著陸火星必須自帶反推火箭。

第七關(guān)，“刀尖上舞者”著陸器要在火星表演著陸藝術(shù)。

第八關(guān)：巡視器出發(fā)，開機工作

“繞”“落”“巡”的串聯(lián)任務(wù)終于進行到最后一步。著陸器穩(wěn)定著陸后，將會與環(huán)繞器聯(lián)絡(luò)，確定工作狀態(tài)，上傳記錄的全部數(shù)據(jù)，傳回地球。一切確認后，著陸器將放出導(dǎo)軌，巡視器開機，積累到足夠能量后，行駛抵達火星表面，開始工作。

探測火星不僅是工程任務(wù)的突破，更是行星科學(xué)領(lǐng)域的突破。除了常規(guī)的通訊、能量來源（太陽能帆板）、支撐結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)等部分外，“天問一號”整體上攜帶了13種科學(xué)載荷，其中7個在火星上空的環(huán)繞器上，6個在降落火星表面的巡視器上。它們共有五大科研目標，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究，將給中國帶來火星的第一手資料。

第八關(guān)，美麗的火星，“天問一號”將看到它的真面目。

人類探測火星60年，勝率不到一半，這是一個高風(fēng)險，卻是代表著人類最美麗、最絢爛航天夢想的存在?！疤靻栆惶枴?，我們祝福它在余下的闖關(guān)過程中，一切順利！