火星，中國來了!(下)

鄭永春

天問一號

在太陽系中，火星與地球的環境最相似，是深空探測的重點。世界各國至今已開展了40多次火星探測任務。現在，中國也加入了這個行列。2020年7月23日12時41分，中國在海南文昌航天發射場發射了天問一號火星探測器，正式開啟了中國行星探測計劃的漫漫征途。我有幸親眼目睹了火箭升空的那一刻，在疫情陰霾的籠罩下，這次成功來之不易。

“天問”是2300年前我國浪漫主義詩人屈原寫的一首長詩的題目，表達了中國人對天地萬物和人類社會等自然現象的好奇，展現了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志。“攬星九天”是我國首次火星探測任務的標識，也是中國行星探測計劃的整體標識。標識展現了八大行星環繞太陽運行的軌道，意味著中國不僅將探測火星，還將探測太陽系的其他行星及其衛星和小天體。天問一號是中國首次火星探測任務的名稱。

中國火星探測工程是在探月工程六戰六捷的基礎上實施的，天問一號繼承了我國月球探測時使用的一些成熟技術。比如，天問一號在最后階段登陸火星時，采用了嫦娥三號火箭反推及4條著陸腿的方式。但月球探測和火星探測也有很大的不同。比如，月球上沒有大氣，登陸月球只靠發動機反推就可以實現減速，但火星就不同了。登陸火星需要穿越大氣層，經歷“黑色7分鐘”。首先，利用大氣提供的阻力，摩擦減速，就像流星劃過夜空;其次，打開降落傘，進一步利用大氣阻力減速;最后，發動機短暫工作，通過反推進行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功登陸火星。

在茫茫宇宙中飛行的火星探測器根據地球、太陽、恒星的相對位置變化實現導航，確定自己所在的位置，精準地瞄準火星。登陸火星表面后，火星車在上下坡時，會通過觀察太陽的方位，感應重力的方向，以計算自己的姿態，評估安全性。火星車還可以通過觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標志，確定行駛路線。

天問一號發射之后，從地球所在的“三環”，飛向火星所在的“四環”，成為一顆環繞太陽飛行的人造行星，在追逐火星的路上飛行。由于深空中沒有阻力，巡航期間的飛行不需要消耗燃料就能維持原有速度，實現無動力飛行。天問一號安裝了推力分別為3000牛、120牛和25牛的各類發動機，目的是精確控制探測器的飛行姿態和方向，幫助它始終瞄準火星，不偏離航線，最終成功抵達火星。一路上，這些發動機一共要經歷6次點火工作。

2020年8月2日，天問一號進行第1次軌道修正。在離地球超過300萬千米的深空中，3000牛主發動機開機工作，歷時20秒，修正了天問一號的飛行軌道，讓它精確地按照設計好的軌道飛行。

2020年9月20日，天問一號進行第2次軌道修正。在離地球約1900萬千米的深空中，4臺推力為120牛的發動機同時點火工作，持續20秒。由于這次軌道修正的幅度很小，所以不需要主發動機，用小推力發動機即可實現。

2020年10月9日23時，天問一號進行第3次軌道修正。在離地球2940萬千米中的深空中，推力為3000牛的主發動機再次點火，持續工作8分鐘。這次軌道調整的結果，是把探測器所在的軌道，從地球所在的太陽系“三環路”，轉移到火星所在的“四環路”上。

2021年春節前夕，天問一號經歷了關鍵一刻。2月10日，經過半年多的長途飛行，飛越4億多千米，天問一號抵達火星。它與火星在太陽系的“四環路”上相遇，3000牛的主發動機進行了一次時間更長的點火工作，經過剎車減速，被火星的引力捕獲，成為火星的人造衛星。這次剎車更為重要，直接決定了火星探測任務的成敗。

在近火軌道，主發動機還將再次點火，調整飛行軌道，為登陸火星作好準備。經過軌道調整，天問一號計劃于5月登陸火星，中國將由此成為世界上第2個實現航天器成功登陸火星的國家。

地球上的地面站與探測器之間的通信，是通過無線電波實現的，其傳播速度為光速，每秒30萬千米。月球到地球的平均距離約為38萬千米，所以，月球探測器與地球通信幾乎沒有延時，我們可以在地球上實時控制月球探測器的運動。不同的是，地球到火星之間的距離是變化的，距離最近的時候約為5500萬千米，最遠的時候，也就是火星與地球分別位于太陽的兩側時，二者之間的距離達4億千米。這就像兩位運動員在相鄰的賽道上繞著運動場跑步，兩人之間的距離有時只相當于跑道的寬度，有時卻相當于整個運動場的直徑。因此，地面與火星探測器的通信，面臨著長達十幾分鐘的延時，這對火星探測的影響很大。也就是說，地球上無法隨時控制火星探測器。

從地球發出的指令，到達探測器的時間最長需要22分鐘。如果要求探測器在特定時間執行命令，地面就要提前發出指令。探測器收到指令后，才能在規定的時間執行。天問一號抵達火星時，無論探測器出現什么意外情況，地面都要在十幾到二十幾分鐘之后才能知道。地面經過研究之后，形成探測器的應對方案，生成處置命令發給探測器。再十幾到二十幾分鐘后，探測器才能收到這個命令。半個多小時到四十多分鐘后，地面才能知道探測器執行的指令是否有效。

由于地面站與火星探測器之間的通信時間延遲太長，天問一號在大部分情況下是按照既定的程序工作的。同時，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡單問題時，進入故障分支，通過預先設定的方案自行解決。遇到自己不能解決的復雜問題時，探測器會進入安全模式，把不必要的設備關閉，然后等待地面指令。地面控制中心收到探測器的故障情況，會根據故障預案進行處置。如果遇到特別復雜的情況，還需要在地面模擬出現的故障，看看處置辦法是否有效，研究后再進行處理。