剛剛！“天問(wèn)一號(hào)”飛行4.7億公里成功入火星軌道，專家解讀難度有多大？
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器駛離地球，奔向火星，示意圖來(lái)自國(guó)家航天局
撰文 | 龐之浩（全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
責(zé)編 | 葉水送
2月10日晚間，在浩瀚無(wú)垠的宇宙中飛行了202天后，“天問(wèn)一號(hào)”終于進(jìn)入火星軌道。
央視新聞剛剛公布的信息
2020年7月23日，火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”在海南文昌發(fā)射場(chǎng)眾人的歡呼和期待聲中，緩緩上升，奔向火星。在飛行4.7億公里后，今天它終于進(jìn)入了火星軌道，目前它與我們的距離約為1.9億公里。
在這期間，“天問(wèn)一號(hào)”完成了地月合照、探測(cè)器“自拍”、3次在軌自檢、4次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)等任務(wù)。今天“天問(wèn)一號(hào)”實(shí)施近火制動(dòng)，俗稱“剎車”減速，從而被火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火星飛行的軌道。
接下來(lái)，“天問(wèn)一號(hào)”通過(guò)環(huán)繞火星，在著陸區(qū)上空對(duì)著陸區(qū)開展探測(cè)，為5月份著陸巡航器著陸火星做準(zhǔn)備。
一舉三得的火星探測(cè)計(jì)劃
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)任務(wù)是中國(guó)國(guó)家航天局第一個(gè)火星探測(cè)計(jì)劃，于2016年1月11日正式立項(xiàng)，2020年4月24日被正式命名為“天問(wèn)一號(hào)”，是中國(guó)行星探測(cè)工程的首次任務(wù)，它將深化中國(guó)人對(duì)火星乃至太陽(yáng)系的科學(xué)認(rèn)知，推進(jìn)比較行星學(xué)等重大問(wèn)題研究。
“天問(wèn)一號(hào)”將通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項(xiàng)任務(wù)，用環(huán)繞器對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，用巡視器對(duì)有科研價(jià)值的局部地區(qū)開展高精度、高分辨率的詳細(xì)調(diào)查。這在人類火星探測(cè)史上是前所未有的。
采用這種“一舉三得”的探火方式，起點(diǎn)高，效益高，但挑戰(zhàn)大。如果成功了，可使我國(guó)深空探測(cè)能力和水平實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第三個(gè)在火星著陸的國(guó)家，第二個(gè)在火星巡視的國(guó)家。從科學(xué)上講，“天問(wèn)一號(hào)”是對(duì)火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進(jìn)行研究的最全面的任務(wù)，這有利于建立起對(duì)火星全面而基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器進(jìn)行熱試驗(yàn)（來(lái)源：中國(guó)航天科技集團(tuán)）
2020年7月23日，我國(guó)用“長(zhǎng)征五號(hào)”遙四運(yùn)載火箭發(fā)射了我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器。這是長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭首次應(yīng)用性發(fā)射，把探測(cè)器直接送入了地火轉(zhuǎn)移軌道。
“天問(wèn)一號(hào)”于2021年2月10日左右到達(dá)火星軌道，最后，“天問(wèn)一號(hào)”的著陸巡視器將在探測(cè)器進(jìn)入火星軌道約3個(gè)月后，在火星表面進(jìn)行軟著陸，候選著陸點(diǎn)為火星北半球的烏托邦平原（Utopia Planitia）。
“天問(wèn)一號(hào)”的兩大目標(biāo)
“天問(wèn)一號(hào)”的工程目標(biāo)是：
突破火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸（EDL）、長(zhǎng)期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)；獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)跨越。
至于“天問(wèn)一號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)，總結(jié)起來(lái)有五個(gè)：
一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測(cè)火星全球地形地貌特征，獲取典型地區(qū)的高精度形貌數(shù)據(jù)，開展火星地質(zhì)構(gòu)造成因和演化研究，繪制火星形態(tài)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖。
二是調(diào)查火星表面土壤特征與水冰分布。探測(cè)火星土壤種類、風(fēng)化沉積特征和全球分布，搜尋水冰信息，開展火星土壤剖面分層結(jié)構(gòu)研究。
中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)
三是分析火星表面物質(zhì)組成。識(shí)別火星表面巖石類型，探查火星表面次生礦物，開展表面礦物組成分析。
四是測(cè)量火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測(cè)火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場(chǎng)，開展火星電離層結(jié)構(gòu)和表面天氣季節(jié)性變化規(guī)律研究。
五是探索火星物理場(chǎng)（電磁場(chǎng)、引力場(chǎng)）與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探測(cè)火星磁場(chǎng)特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場(chǎng)研究。
“天問(wèn)一號(hào)”研制團(tuán)隊(duì)擺字
中國(guó)火星探測(cè)的兩大利器
我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)由工程總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。其中，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器由環(huán)繞器、著陸巡視器（包括進(jìn)入艙和火星車）組成，總質(zhì)量約5噸（含燃料）。
“天問(wèn)一號(hào)”全貌（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
“天問(wèn)一號(hào)”由環(huán)繞器和著陸巡視器組成示意圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
重3.6噸左右（燃料重量占總重的大部分）的環(huán)繞器，設(shè)計(jì)壽命1個(gè)火星年（687個(gè)地球日），采用“外部六面柱體+中心承力錐筒”構(gòu)型，能滿足5個(gè)飛行階段和11種飛行模式的設(shè)備布局需求。
環(huán)繞器主要完成地火轉(zhuǎn)移、火星制動(dòng)捕獲和軌道調(diào)整等任務(wù)，為火星車提供3個(gè)月的中繼支持服務(wù)，通過(guò)攜帶的科學(xué)載荷對(duì)火星開展約一個(gè)火星年的科學(xué)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星全球普查和局部詳查。
它具備三大功能：飛行器、通信器和探測(cè)器；需克服飛行時(shí)間長(zhǎng)，面臨環(huán)境差，控制要求高，空間動(dòng)作繁四大困難；涉及五個(gè)主要環(huán)節(jié)：地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信、科學(xué)探測(cè)。
地火轉(zhuǎn)移段：環(huán)繞器在完成4次中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)修正飛行路徑，探測(cè)器飛過(guò)超過(guò)4億千米的路徑后，逐漸飛近火星。
火星捕獲段：發(fā)射約200天后，探測(cè)器被火星捕獲，此時(shí)距離地球近1.93億公里，通信時(shí)延約11分鐘：
環(huán)繞器及其高分辨率相機(jī)（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
離軌著陸段：進(jìn)入捕獲軌道后，環(huán)繞器將調(diào)整至停泊軌道，并將擇機(jī)降軌釋放著陸巡視器，分離了著陸巡視器后環(huán)繞器再抬軌回到停泊軌道。
中繼通信段：接著，環(huán)繞器將再次進(jìn)入中繼軌道，為地球與著陸器提供為期3個(gè)月的中繼通信服務(wù)，為它們搭建起溝通的橋梁。
科學(xué)探測(cè)段：中繼任務(wù)結(jié)束后，環(huán)繞器將再次進(jìn)行降軌進(jìn)入科學(xué)探測(cè)軌道，對(duì)火星軌道空間、火星表面開展科學(xué)探測(cè)。
其主要科學(xué)任務(wù)：拍攝中國(guó)首張火星全圖；探測(cè)火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)，探測(cè)火星表面和地下水冰；探測(cè)火星地形地貌特征及其變化；調(diào)查和分析火星表面物質(zhì)成分；分析火星大氣電離層并探測(cè)行星際環(huán)境。
為此，環(huán)繞器攜帶了7臺(tái)科學(xué)儀器：
（1）中分辨率相機(jī)，用于獲取火星全球遙感影像圖。
（2）高分辨率相機(jī)，用于對(duì)著陸區(qū)和高科學(xué)價(jià)值區(qū)域成像。
“天問(wèn)一號(hào)”環(huán)繞器搭載的高分相機(jī)，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
（3）次表層雷達(dá)，用于開展火星表面次表層結(jié)構(gòu)、極地區(qū)冰層探測(cè)。
（4）礦物光譜分析儀，用于探測(cè)火星表面的礦物種類、含量和空間分布情況。
（5）磁強(qiáng)計(jì)，用于探測(cè)火星空間磁場(chǎng)環(huán)境。
（6）離子與中性粒子分析儀，用于對(duì)太陽(yáng)風(fēng)以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分進(jìn)行測(cè)量。
（7）能量粒子分析儀，用于獲取火星空間環(huán)境中能量粒子的能譜通量和元素成分?jǐn)?shù)據(jù)。
中國(guó)首輛火星車約240千克，質(zhì)量幾乎是玉兔號(hào)月球車的兩倍，用于在著陸區(qū)開展巡視探測(cè)，設(shè)計(jì)工作壽命3個(gè)火星月（92個(gè)地球日）。
其主要科學(xué)任務(wù)：探測(cè)火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型；探測(cè)火星巡視區(qū)土壤結(jié)構(gòu)并探查水冰；探測(cè)火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境，探測(cè)火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造。
著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成示意圖
為此，火星車攜帶6臺(tái)科學(xué)儀器：
（1）導(dǎo)航/地形相機(jī)，用于為火星車提供導(dǎo)航和定位依據(jù)，獲取著陸區(qū)及巡視區(qū)高分辨率三維圖像。
（2）多光譜相機(jī)，用于探測(cè)火星表面物質(zhì)類型分布，獲取巡視區(qū)可見、近紅外波段的圖像。
火星車攜帶的幾種主要科學(xué)有效載荷
（3）次表層雷達(dá)，用于探測(cè)巡視區(qū)次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。
（4）表面成分探測(cè)儀，用于獲取紫外至近紅外譜段的高分辨率的光譜特征信息。
（5）表面磁場(chǎng)探測(cè)儀，用于探測(cè)巡視區(qū)局部磁場(chǎng)。
（6）氣象測(cè)量?jī)x，用于探測(cè)巡視區(qū)環(huán)境氣溫等氣象環(huán)境。
它們可以與火星上空運(yùn)行的軌道器進(jìn)行天地聯(lián)合探測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)火星大氣、電離層、磁場(chǎng)的全面探測(cè)。
另外，我國(guó)第一輛火星車名字將從弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、風(fēng)火輪、追夢(mèng)、天行和星火這10個(gè)征名中產(chǎn)生。
中國(guó)火星車與著陸器示意圖（來(lái)源：國(guó)家航天局）
火星探測(cè)到底有多難？
“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)任務(wù)飛行過(guò)程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測(cè)六個(gè)階段。具體實(shí)施步驟如下：
（1）“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，采用長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭，將“天問(wèn)一號(hào)”送入地火轉(zhuǎn)移軌道。
（2）器箭分離后，探測(cè)器上的太陽(yáng)電池翼和定向天線相繼展開，在測(cè)控系統(tǒng)支持下飛往火星，約7個(gè)月后抵達(dá)。為了精確飛向火星，其間進(jìn)行1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正。中途修正一般是指在探測(cè)器飛行過(guò)程中，對(duì)各種原因?qū)е碌能壍榔x進(jìn)行修正，使探測(cè)器更貼近理論軌道飛行。
2020年7月27日，“天問(wèn)一號(hào)”在飛離地球約120萬(wàn)公里處，利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器拍攝的黑白地月合影（來(lái)源：國(guó)家航天局）
2020年8月2日7時(shí)整，“天問(wèn)一號(hào)”在距地球300萬(wàn)公里時(shí)，其上3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)工作20秒，完成第一次軌道中途修正，并在軌檢驗(yàn)了3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
距離地球約300萬(wàn)公里，“天問(wèn)一號(hào)”完成首次軌道修正（來(lái)源：國(guó)家航天局）
2020年9月20日23時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”在距離地球約1900萬(wàn)公里，飛行路程約1.6億公里時(shí)，其上4臺(tái)120牛發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作20秒，完成第二次軌道中途修正，并在軌驗(yàn)證了120牛發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能。
2020年9月20日，“天問(wèn)一號(hào)”完成第二次軌道中途修正，4臺(tái)120牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火推進(jìn)20秒，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
2020年10月1日，國(guó)家航天局發(fā)布“天問(wèn)一號(hào)”的自拍像。由于本身個(gè)頭大，如用自拍桿，需要一個(gè)15米的自拍桿才能自拍全貌，不僅資源消耗大，而且容易產(chǎn)生安全隱患。所以，我國(guó)采用了“分離式監(jiān)測(cè)方案”，即用一套由多個(gè)“小質(zhì)量、小個(gè)頭、小能耗”傳感器組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在合適的光照條件下“拋”出一個(gè)輕型相機(jī)對(duì)“天問(wèn)一號(hào)”進(jìn)行拍攝，并實(shí)時(shí)把圖像傳到探測(cè)器上。
“天問(wèn)一號(hào)”自拍（來(lái)源：國(guó)家航天局）
2020年10月9日23時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”上的3000牛主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火工作480秒，順利完成深空機(jī)動(dòng)，改變了探測(cè)器原有的飛行速度和方向，使其能夠沿著變軌后的軌道順利飛行至火星。
探測(cè)器深空機(jī)動(dòng)軌道示意圖（來(lái)源：國(guó)家航天局）
中途修正是為了減小飛行偏差，使探測(cè)器沿著預(yù)定的軌道飛行而進(jìn)行的軌道控制。深空機(jī)動(dòng)是改變探測(cè)器當(dāng)前軌道，使其進(jìn)入一條新的軌道而進(jìn)行的軌道控制。執(zhí)行深空機(jī)動(dòng)是軌道聯(lián)合優(yōu)化的結(jié)果，能夠提升運(yùn)載火箭的發(fā)射能力、增加探測(cè)器的發(fā)射質(zhì)量，使探測(cè)器可以攜帶更多的推進(jìn)劑，更好地完成探測(cè)任務(wù)。
在次深空機(jī)動(dòng)中，環(huán)繞器瞄準(zhǔn)的制動(dòng)捕獲時(shí)火星的位置距離環(huán)繞器約3億公里遠(yuǎn)，誤差控制約200公里，相當(dāng)于北京到上海約1200公里距離中瞄準(zhǔn)一個(gè)直徑約0.8米的目標(biāo)，實(shí)際精度優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。
2020年10月28日22時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”上的8臺(tái)25牛發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火，完成了第三次軌道中途修正，并在軌檢查了25牛發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，為后續(xù)調(diào)整飛行姿態(tài)而做好準(zhǔn)備。
2021年 2月5日20時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”上的8臺(tái)25牛發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作12秒，順利完成地火轉(zhuǎn)移段第四次軌道中途修正，以確保按計(jì)劃實(shí)施火星捕獲。
此前，“天問(wèn)一號(hào)”在距離火星約220萬(wàn)公里處，獲取了首幅火星圖像。圖中，火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑，以及火星最長(zhǎng)的峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。
“天問(wèn)一號(hào)”首張火星照片（來(lái)源：中國(guó)航天科技集團(tuán)）
（3）探測(cè)器在即將進(jìn)入火星軌道，距離地球1.93億公里，距離火星僅400公里時(shí)相對(duì)火星的速度為5.3公里/秒，通信單向時(shí)延約11分鐘。為了被火星引力捕獲，進(jìn)入火星軌道，“天問(wèn)一號(hào)”要調(diào)整飛行姿態(tài)，將發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管朝向前方，待到時(shí)機(jī)恰當(dāng)時(shí)3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開機(jī)，以降低探測(cè)器的速度，這一過(guò)程將持續(xù)約14分鐘。制動(dòng)后環(huán)火軌道近火點(diǎn)的速度是4.6公里/秒。僅有一次機(jī)會(huì)，地面無(wú)法對(duì)這一制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲。
探測(cè)器進(jìn)行制動(dòng)“剎車”的時(shí)機(jī)和大小要十分精準(zhǔn)，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)猛，探測(cè)器速度下降過(guò)多，探測(cè)器就會(huì)一頭撞上火星；如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)短或過(guò)輕，探測(cè)器飛行速度過(guò)快，就會(huì)沿拋物線軌跡飛離火星。只有“剎車”時(shí)機(jī)和時(shí)長(zhǎng)都分秒不差，才能形成理想的捕獲軌道。例如，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過(guò)短，探測(cè)器速度過(guò)快，就會(huì)飛離火星，造成捕獲任務(wù)失敗。
3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)近火制動(dòng)示意圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
（4）進(jìn)入環(huán)火軌道后，“天問(wèn)一號(hào)”在近火點(diǎn)離火星約400千米，遠(yuǎn)火點(diǎn)在180000千米左右的大橢圓軌道繞著火星飛行，在停泊一段時(shí)間后調(diào)整自身狀態(tài)，隨后再次制動(dòng)減速，降低飛行高度，最終到達(dá)近火點(diǎn)高度265千米，遠(yuǎn)火點(diǎn)高度14200千米的軌道上，為之后任務(wù)中著陸巡航器著陸以及軌道器饒火探測(cè)環(huán)節(jié)做好相應(yīng)準(zhǔn)備。“天問(wèn)一號(hào)”通過(guò)約3個(gè)月的環(huán)繞飛行后首選進(jìn)入窗口，其間在著陸區(qū)上空對(duì)著陸區(qū)開展探測(cè)。
從地球發(fā)射到火星環(huán)繞的完整連續(xù)軌道（來(lái)源：中國(guó)航天報(bào)）
（5）探測(cè)器擇機(jī)實(shí)施降軌機(jī)動(dòng)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過(guò)程提供中繼通信。著陸巡視器進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動(dòng)力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動(dòng)作，著陸于火星表面。
（6）著陸后，火星車與著陸平臺(tái)解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺(tái)，開始巡視探測(cè)。著陸巡視器安全著陸后，環(huán)繞器進(jìn)入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學(xué)探測(cè)。火星車完成探測(cè)任務(wù)后，環(huán)繞器進(jìn)入使命軌道，開展火星全球遙感探測(cè)，兼顧火星車擴(kuò)展任務(wù)中繼通信。
我國(guó)火星著陸區(qū)在火星北緯5°～北緯30°。從光照考慮，火星赤道附近好，但地形復(fù)雜。另外，由于登陸火星99%以上減速是靠大氣，因此著陸點(diǎn)海拔越低減速時(shí)間越長(zhǎng)，著陸越安全。
著陸巡視器在火星著陸示意圖（來(lái)源：國(guó)家航天局）
最后，在牛年即將來(lái)臨之際，祝“天問(wèn)一號(hào)”一切順利，完成預(yù)定任務(wù)。
參考文獻(xiàn)
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