“天問一號”：中國首次火星探測

清蒸鱸魚

從1960年10月蘇聯(lián)率先向火星發(fā)射探測器以來，各國航天機(jī)構(gòu)總共向火星發(fā)射了數(shù)十次的各種宇宙飛船和探測器。2020年4月24日，國家航天局宣布，將我國首次火星探測任務(wù)命名為“天問一號”。“天問”二字出自《楚辭》，來源于中國偉大詩人屈原的長詩，作品對天地、自然和人世等一切事物現(xiàn)象進(jìn)行想象與發(fā)問，從宇宙之本源，到陰陽之俱化;從天地之構(gòu)造，到星辰之往亙。以“天問”作為工程名稱表達(dá)了中華民族對真理追求的堅韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技不斷創(chuàng)新永無止境。

火星探測面臨的難題

（1）距離太遙遠(yuǎn)

地球和火星之間的距離遙遠(yuǎn)，受二者相對運動規(guī)律的影響，在5600萬—4億千米之間變動，變化范圍很大。而且，火星軌道與地球軌道不完全在同一平面內(nèi)。這些對探測器飛行方案設(shè)計、可靠性設(shè)計、計劃管理都提出了很高要求，探測器軌道設(shè)計上要將每一細(xì)節(jié)因素考慮好。

從2020年7月23日探測器成功發(fā)射算起，其飛往火星耗時大約7個月。由于地球與火星信號傳輸有延時，且延時長達(dá)23分鐘，而探測器在火星著陸時間僅需7分鐘左右，這意味著無法靠地球信號控制處理著陸過程中遇到的各種意外情況，全程必須依靠探測器自主完成。這就要求科學(xué)研究人員對著陸過程中遇到的種種情況，做盡可能全面的預(yù)測，做好各種情況的處理方案。

（2）合適的窗口期難尋

正是由于地球到火星之間的距離變化區(qū)間大，所以要選擇合適的時機(jī)，當(dāng)?shù)厍蚺c火星距離相對較近時，探測器變軌進(jìn)入火星環(huán)繞軌道。然而從地球角度來計算，約780天左右才能和火星相對接近一次，這個時間又叫作會合周期。這好比賽跑中在內(nèi)圈跑得較快的人，超過了在外圈跑得較慢的人一圈，再次進(jìn)行會合。

目前主流的火箭以化學(xué)燃料為核心動力，性能依然有限，利用窗口期將有效提高探測器成功進(jìn)入火星軌道的概率。

（3）對火箭性能要求高

在探測器飛往火星過程中，首先需要擺脫地球引力，其次擺脫太陽引力，進(jìn)入火星環(huán)繞軌道。正是由于距離遙遠(yuǎn)，著陸過程中可能遇到多種問題，因此需要使用盡可能強(qiáng)力的火箭作為動力。在2020年的探測器發(fā)射任務(wù)中，我國拿出了被稱為“大火箭”“胖五”的長征五號重型運載火箭。

（4）著陸難度大

火星的大氣密度為地球的1%左右，雖然可以利用大氣為探測器的降落減速，但減速過程中會產(chǎn)生高達(dá)兩千攝氏度的高溫，因此著陸器需要隔熱罩隔絕熱量。另外，即使配備了減速降落傘，但仍然不足以讓探測器實現(xiàn)軟著陸，因此需要啟動反推動力，幫助探測器懸停、避障、降落。這些難點對探測器的傳感器性能及預(yù)案準(zhǔn)備提出了更高的要求，以應(yīng)對種種突發(fā)情況，讓探測器進(jìn)行自我處理。

火星表面溝壑縱橫，遍布沙石，對著陸點選擇和探測器路徑規(guī)劃提出了很高的要求。火星表面風(fēng)化嚴(yán)重，溫室效應(yīng)導(dǎo)致火星不同區(qū)域氣壓差很大，風(fēng)力強(qiáng)勁，沙塵暴頻繁，這對探測器的硬件性能是一個很大的考驗。

火星探測有什么意義？

雖然相比于金星探測，火星探測難度相對較小，但仍然面臨很多難題，火星之旅危險重重。即便如此，火星探測仍舊深深吸引著無數(shù)科學(xué)家。為何人類鐘情于火星探測呢？這是因為綜合考慮人類目前的技術(shù)發(fā)展水平和行星探測的難易度等多種因素后，火星是人類探索生命起源與環(huán)境演變的首選之地。

首先，火星曾與地球的地質(zhì)及氣候非常相似，但由于未知的種種原因?qū)е缕淠壳俺蔀榛哪；鹦茄葑儠r間長，極有可能成為地球演變的未來，探索火星環(huán)境變化的原因，對于研究地球演變和保護(hù)地球具有重大意義。而且，火星上沒有地球上的全球偶極磁場，導(dǎo)致太陽風(fēng)高能粒子可以直達(dá)火星表面，這對于人類研究行星磁場演變有深遠(yuǎn)影響，能讓我們更加了解地球演變。

其次，經(jīng)多年的火星探索研究，發(fā)現(xiàn)火星上確實有水存在，這就為推測探究火星上有無生命及生命存在形式提供了基礎(chǔ)依據(jù)，也為大眾對地外生命的探尋燃起了新的熱情。

再者，火星是太陽系內(nèi)環(huán)境與地球最為接近的星球，在目前人類可及的條件下，是人類最有可能登陸的下一個地外天體。

“天問一號”都有什么任務(wù)？

正因為探測火星意義重大，中國也義無反顧地加入這一行列當(dāng)中。隨著長征五號火箭在中國文昌航天發(fā)射場的點火升空，探測器也開始前往火星的旅程。地球到火星這么遙遠(yuǎn)，探測器的發(fā)射只是最初的步驟，探測器還要經(jīng)歷五個階段的考驗，分別是地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測。在點火發(fā)射階段之后，長征五號火箭經(jīng)過36分鐘的飛行將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，之后將開始后續(xù)的各種任務(wù)。

雖然整體飛行階段如此復(fù)雜，但主要任務(wù)簡言之可分為飛掠、環(huán)繞、降落、巡視四大任務(wù)，這也與人類目前探測火星的技術(shù)水平相符合。當(dāng)然，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來還有第五種“采樣返回”的任務(wù)。

（1）飛掠任務(wù)

飛掠任務(wù)之前，探測器會在太陽翼和天線的輔助，以及測控系統(tǒng)的協(xié)助下，飛行約7個月后到達(dá)火星，實現(xiàn)地火軌道轉(zhuǎn)移。飛掠任務(wù)只是在火星附近飛速掠過，趁著極短的時間抓住一切可能記錄有用的數(shù)據(jù)，隨后滑入深空。相比動輒數(shù)月的旅行時間，觀測火星的真正有效時間僅在1天左右。

（2）環(huán)繞任務(wù)

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，探測器靠近火星后已經(jīng)可以依靠自身動力制動進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道。如果推進(jìn)能力更強(qiáng)，或者借助火星頂部稀薄大氣緩慢“剎車”，甚至可以直接變軌成圓形軌道，保持穩(wěn)定的軌道高度，更有效地觀測火星。探測器通過一系列復(fù)雜操作，完成火星捕獲，成為火星衛(wèi)星。

（3）降落任務(wù)

在降落之前，探測器需要穩(wěn)定飛行到計劃的著陸區(qū)上方，為著陸做準(zhǔn)備。時機(jī)合適時，環(huán)繞器和巡視器（也叫“火星車”）分離，巡視器開始降落，進(jìn)入離軌著陸階段，減速到達(dá)火星表面。降落（軟著陸）任務(wù)的最大優(yōu)勢是能仔細(xì)研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，尤其是對水、氣象、底部大氣、表面土壤成分、地表地貌、潛在有機(jī)物和深層土壤的研究。著陸之旅需要巡視器完全自主導(dǎo)航控制完成。

（4）巡視任務(wù)

著陸后，巡視器開始巡視探測，環(huán)繞器開始環(huán)繞探測，同時提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^服務(wù)，將探測數(shù)據(jù)傳回地球。巡視器的載荷可以集中于科研設(shè)備，從事多地點、多方面的精細(xì)研究。巡視器是近些年火星探測的核心，復(fù)雜程度越來越高，待機(jī)工作時間也越來越長。

中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”本次將一次性完成以上四個任務(wù)，可見研發(fā)人員投入了多少的心血。但任務(wù)難度重重，任何一個環(huán)節(jié)都可能會有意外發(fā)生。我們應(yīng)該認(rèn)識到，任務(wù)的成功需要眾多航天人才的投入。人類的未來必定是星辰大海，正處在朝陽年紀(jì)的我們，更應(yīng)該把握機(jī)會，努力學(xué)好知識，為人類航天探索事業(yè)添磚加瓦！