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演講 | 孫澤洲

整理 | 梁政

審讀 | 王佳

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非常高興能來(lái)到墨子沙龍，有機(jī)會(huì)跟大家一起分享我們國(guó)家首次火星探測(cè)任務(wù)——“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)。一提到火星，我們總會(huì)感到既熟悉又陌生，大家也許會(huì)有一些問(wèn)題：我們?nèi)祟悶槭裁匆ヌ綔y(cè)火星？為什么熱衷于火星的探測(cè)？

火星——行星探測(cè)第一站

首先我們要對(duì)火星本身有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解?；鹦鞘蔷嚯x我們“很近”的一個(gè)星球，我們?cè)诘厍蛏先庋劭梢郧逦乜吹竭@個(gè)紅色的星球。“近”是相對(duì)于浩瀚的宇宙而言，相對(duì)于地月距離，它又很遠(yuǎn)。每大概26個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)一次火星沖日，這個(gè)時(shí)候火星和地球運(yùn)行到太陽(yáng)的同一側(cè)。在晴朗夜晚的天空，隨著太陽(yáng)的下山，火星會(huì)從地球的東方升起，所以人類很早就對(duì)火星進(jìn)行了觀測(cè)。

古代中國(guó)把火星稱為熒惑，西方把火星比作戰(zhàn)神Mars。由于古代人類對(duì)宇宙認(rèn)知程度和科技水平的限制，火星往往與戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)禍相聯(lián)系，這其實(shí)對(duì)火星很不公平。隨著科技的發(fā)展和認(rèn)知水平的提升，我們發(fā)現(xiàn)火星這個(gè)近鄰很可能會(huì)成為人類的第二個(gè)家園。因而，之后的人們對(duì)火星就不再有恐懼，更多的是一種向往。大家看到近現(xiàn)代的一些科幻小說(shuō)、電影都含有火星元素，如《火星救援》等。

火星與地球有很大的相似性，太陽(yáng)系內(nèi)的行星從內(nèi)往外依次是：水星、金星、地球、火星……火星距離地球最近的時(shí)候（即剛才提到的火星沖日）大概是5500萬(wàn)公里；最遠(yuǎn)時(shí)距離4億公里，但如此遙遠(yuǎn)的距離相比宇宙的尺度也是很小。

從它的自然特性來(lái)講，其公轉(zhuǎn)周期687天接近地球的兩年，同時(shí)因?yàn)樗淖赞D(zhuǎn)軸與軌道周期面夾角大約為25度，與地球的23.5度接近，所以它也有四季的變化。它的自轉(zhuǎn)周期跟地球十分相近，是24小時(shí)37分鐘，所以晝夜變化與地球上基本一致。而且火星有一層稀薄的二氧化碳大氣，導(dǎo)致火星上有一定的溫室效應(yīng)，所以它的晝夜溫差雖然比地球大，但相比月球卻小很多。

由于這些特性，火星在我們現(xiàn)在認(rèn)知的天體中更接近地球。因此從事行星科學(xué)研究的科學(xué)家們認(rèn)為，火星的演化與地球有很多的相似之處；但由于它的質(zhì)量比較小，所以內(nèi)部能量消耗得較快，更接近一個(gè)行星的晚期。火星的今天很可能就是地球的明天，所以從行星學(xué)研究的角度考慮，對(duì)火星有充分的認(rèn)識(shí)可以幫助我們更好地了解地球的未來(lái)。

此外，因?yàn)榛鹦歉厍蚝芟嗨?，大家就?huì)想到火星是不是有可以為人類所利用的資源，例如水?，F(xiàn)在的探測(cè)結(jié)果說(shuō)明火星上有水存在的跡象，但水是否大量存在還有待我們繼續(xù)探索，這也是現(xiàn)在對(duì)火星探測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

火星還有另外一些重要的整體特征。如因?yàn)樗鹊厍蛐?，所以呈現(xiàn)低重力的特點(diǎn)，只有地球重力的3/8左右。因?yàn)樗鹊厍螂x太陽(yáng)更遠(yuǎn)，因此有弱光照、偏低溫等特點(diǎn)。但其四季和晝夜的變化跟地球很相似。

我們現(xiàn)階段對(duì)于火星的探測(cè)主要基于兩個(gè)目標(biāo)，一是從行星學(xué)的角度認(rèn)識(shí)火星，以認(rèn)識(shí)地球的未來(lái)；二是對(duì)火星資源進(jìn)行探測(cè)，以期能對(duì)這些資源有一些新發(fā)現(xiàn)，未來(lái)能為我們所利用。比如未來(lái)人類是否能去火星并把火星做星際航行的一個(gè)中轉(zhuǎn)站，是否存在能為我們所利用的資源？因此，我們要把航天器送到火星軌道、火星表面進(jìn)行探測(cè)。

火星之旅，人類蹣跚起步

2020年可以說(shuō)是火星探測(cè)的一個(gè)高潮年，我們國(guó)家的“天問(wèn)一號(hào)”成功發(fā)射飛向火星，并在今年成功著陸火星。那么，我們?nèi)祟悓?duì)火星的探測(cè)經(jīng)歷了怎樣的歷程？

火星探測(cè)的歷史還是很長(zhǎng)的，早在1960年，在人類的第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射后不到三年的時(shí)間，人類就開始了奔往火星的征程。第一個(gè)吃螃蟹的是蘇聯(lián)的“火星1A號(hào)”，但很可惜由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，它最終并沒(méi)有到達(dá)火星。但毋庸置疑，它開啟了人類對(duì)火星探測(cè)的序幕。

人類首顆火星探測(cè)器——蘇聯(lián)“火星1A”（1960年10月10日）

接下來(lái)可以把從1960年開始到現(xiàn)在的火星探測(cè)任務(wù)，不太嚴(yán)格地分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是火星探測(cè)的初期，這個(gè)階段雖然沒(méi)有取得很多成果但也非常重要；第二個(gè)階段是相對(duì)沉寂的時(shí)期；第三個(gè)階段，又一個(gè)高潮期。

我簡(jiǎn)單介紹下這三個(gè)階段的基本情況。

第一個(gè)階段是1960年到1976年，這個(gè)階段里實(shí)施了23次任務(wù)，到目前為止一半左右的火星探測(cè)任務(wù)是在這個(gè)階段實(shí)現(xiàn)的。首先是1964年美國(guó)的“水手四號(hào)”發(fā)射，1965年掠飛火星，與火星擦肩而過(guò)，近距離拍攝了火星的第一張照片。這在火星探測(cè)史上是一個(gè)很重要的節(jié)點(diǎn)。

到了1971年，“水手九號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)了火星的環(huán)繞探測(cè)，并進(jìn)行了更全面的遙感探測(cè)，繪制了85%火星區(qū)域的影像?！八志盘?hào)”在火星探測(cè)史上也是很重要的一個(gè)航天器，讓人類對(duì)火星有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。之后1976年的“海盜號(hào)”則更加出名，是人類在火星表面著陸的第一個(gè)航天器。即在1976年，它實(shí)現(xiàn)了火星的環(huán)繞和著陸，更真切地看到了火星的形貌。到此為止火星探測(cè)的第一個(gè)階段就告一段落了。

水手四號(hào)（1965年，美國(guó)）首次在距離火星表面9800公里的地方掠過(guò)，傳回了世界上第一張火星表面照片

水手九號(hào)（1971年，美國(guó)）傳回了7329張火星照片，繪制了火星85%的地圖，分辨率為1–2千米

海盜號(hào)（1976年，美國(guó)）以探尋火星表面生命為目標(biāo)，完成了環(huán)繞+著陸火星探測(cè)

第一階段為什么要告一段落？因?yàn)榇穗A段的火星探測(cè)主要有兩個(gè)國(guó)家參加：美國(guó)和蘇聯(lián)。他們圍繞著誰(shuí)第一個(gè)到達(dá)火星、誰(shuí)第一個(gè)著陸進(jìn)行競(jìng)賽，這種競(jìng)賽成為了第一階段火星探測(cè)的主要?jiǎng)恿?。但隨著競(jìng)賽的第一名歸屬確定之后，接下來(lái)自然進(jìn)入了一個(gè)沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力的沉寂期。所以，1977年到1990年間基本沒(méi)有火星探測(cè)的任務(wù)。僅蘇聯(lián)有兩次對(duì)火星的“福波斯”（Phobos）探測(cè)任務(wù)，但最終也沒(méi)有成功。

福波斯一號(hào)（1988年，蘇聯(lián)）

福波斯二號(hào)（1988年，蘇聯(lián)）

從1991年到現(xiàn)在，火星又進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，參與的國(guó)家變多，發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力也變了。不以競(jìng)賽的第一名作為主要驅(qū)動(dòng)，更多的是以技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)的發(fā)現(xiàn)作為火星探測(cè)的主要目標(biāo)。這就回到了我們一開始討論的“為什么要去探測(cè)火星”問(wèn)題上來(lái)，回到了真正由技術(shù)和科學(xué)驅(qū)動(dòng)牽引的道路上來(lái)。

在接下來(lái)30年的時(shí)間里，有了很多著名的火星航天器，如鳳凰號(hào)、洞察號(hào)等；在探測(cè)形式上也有了很大的拓展，由過(guò)去的僅著陸變成了著陸并在地面開展巡視，以美國(guó)的航天器為代表。在火星探測(cè)上美國(guó)一直走在最前面，是每個(gè)探測(cè)項(xiàng)目的第一個(gè)完成者。

如下圖所示，1996年的索杰納號(hào)在有限的小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域巡航；2003年發(fā)射的機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了火星表面的巡視，巡視距離超過(guò)一個(gè)馬拉松比賽的距離。機(jī)遇號(hào)的設(shè)計(jì)壽命雖然只有三個(gè)月左右，但取得的成就相當(dāng)不簡(jiǎn)單。此外，還有后來(lái)發(fā)射的好奇號(hào)。

索杰納號(hào)（1996年，美國(guó)）

勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)，好奇號(hào)

接下來(lái)就來(lái)到了2020年?；鹦翘綔y(cè)發(fā)射窗口的周期是26個(gè)月左右，2020年是個(gè)難得的探測(cè)機(jī)會(huì)，也是對(duì)于火星探測(cè)非常重要的一年。這一年有三個(gè)國(guó)家的航天器同期飛往火星：阿聯(lián)酋的希望號(hào)，美國(guó)的毅力號(hào)，還有我們國(guó)家的天問(wèn)一號(hào)。本來(lái)計(jì)劃還有歐空局的ExoMars2020，但是由于一些原因被調(diào)整到2022年，否則2020年更加熱鬧。

非常值得慶賀的是，這三國(guó)的航天器都很好地完成了預(yù)定的目標(biāo)。阿聯(lián)酋的希望號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了火星的環(huán)繞，美國(guó)的毅力號(hào)實(shí)現(xiàn)了著陸和巡視，我們的天問(wèn)一號(hào)一舉同時(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞、著陸和巡視三個(gè)目標(biāo)，把2020年、2021年的火星探測(cè)又推向了一個(gè)高潮。

我們來(lái)回顧一下世界各國(guó)火星探測(cè)的整體歷程。日本實(shí)現(xiàn)了掠飛，歐空局、俄羅斯、印度、阿聯(lián)酋實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞，到目前為止成功實(shí)現(xiàn)著陸和巡視的國(guó)家只有中國(guó)和美國(guó)。在深空探測(cè)領(lǐng)域（包括月球和火星），我們國(guó)家起步很晚，到本世紀(jì)初才開始從月球的深空探測(cè)——嫦娥系列起步，到2014年真正開始天問(wèn)的技術(shù)工程研制。

因?yàn)槠鸩捷^晚，如果一步一步對(duì)美國(guó)追趕則顯得太慢；而且隨著現(xiàn)在的技術(shù)積累和發(fā)展，我們有相應(yīng)的條件一舉實(shí)現(xiàn)環(huán)繞和著陸、巡視。

從1964年一直到2003年，美國(guó)從第一次掠飛到真正意義上的巡視用了39年。我們的這一步邁的還是比較大的，探測(cè)形式上達(dá)到了目前人類航天器對(duì)火星探測(cè)的最高水平。

天問(wèn)長(zhǎng)歌，點(diǎn)燃中國(guó)星際探測(cè)火種

對(duì)火星和火星探測(cè)有了基礎(chǔ)的了解后，就來(lái)到今天的主題：我國(guó)的天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)。

天問(wèn)一號(hào)工程任務(wù)包含五個(gè)系統(tǒng)：探測(cè)系統(tǒng)或衛(wèi)星系統(tǒng)，是飛行的主體；運(yùn)載系統(tǒng)，要把衛(wèi)星探測(cè)器送到預(yù)定軌道，即奔往火星的入口處；發(fā)射場(chǎng)，一個(gè)支持發(fā)射的地面設(shè)施，比如海南文昌發(fā)射場(chǎng)、四川西昌發(fā)射場(chǎng)，以及甘肅酒泉發(fā)射場(chǎng)等等；測(cè)控系統(tǒng)，航天器在軌飛行時(shí)需要與地面建立聯(lián)系并對(duì)其軌道、位置進(jìn)行測(cè)量，因此需要一個(gè)地面測(cè)控站通過(guò)傳輸無(wú)線電信號(hào)，完成信息的交互和速度、距離的測(cè)量等；應(yīng)用系統(tǒng)，即對(duì)采得的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析反演等。我主要負(fù)責(zé)探測(cè)器系統(tǒng)。

天問(wèn)的探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成。下圖是探測(cè)器的分解圖，下面是一個(gè)環(huán)繞器，上面是一個(gè)著陸巡視器，整個(gè)探測(cè)器重達(dá)五噸，在我們發(fā)射的所有航天器中算是一個(gè)大塊頭。它總共攜帶13臺(tái)載荷，目前全部在軌運(yùn)行良好，獲得了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)還需要不斷積累，希望能從中得到一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這就是我們探測(cè)任務(wù)的基本情況。

我們的目標(biāo)是什么？從工程角度來(lái)講，要完成環(huán)繞、著陸和巡視，此外還要在地面建立起一套能支持我們未來(lái)深空探測(cè)發(fā)展的工程體系，其中包括地面實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建造，計(jì)算方法、計(jì)算能力的提升，人才的引進(jìn)，等等。所以一個(gè)航天任務(wù)工程，除了要把探測(cè)器打上天，也要在這個(gè)過(guò)程中積累、沉淀下來(lái)一些經(jīng)驗(yàn)。

從科學(xué)的角度來(lái)講，一共有五個(gè)主要任務(wù)。剛才提到13類載荷中，最熱點(diǎn)的一個(gè)是對(duì)火星表面土壤特征和水冰分布進(jìn)行調(diào)查。我們的火星車和環(huán)繞器都攜帶雷達(dá)，可以對(duì)淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，觀測(cè)淺層地下是否存在地下水。這是當(dāng)今火星探測(cè)在科學(xué)上的重點(diǎn)，如果有了大量水的存在，就會(huì)把火星探測(cè)和利用又推向一個(gè)新的高潮。

接下來(lái)給大家簡(jiǎn)單介紹一下天問(wèn)的研制過(guò)程。早在2007年，嫦娥一號(hào)成功環(huán)繞月球，我們就考慮能不能在嫦娥一號(hào)的基礎(chǔ)上，用比較短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)火星的環(huán)繞探測(cè)。但出于兩方面的限制，后來(lái)這個(gè)任務(wù)并沒(méi)有啟動(dòng)實(shí)施：一是當(dāng)時(shí)地面測(cè)控設(shè)備有限，二是飛行器上的通訊、測(cè)控設(shè)備尚在使用模擬信號(hào)，因而通訊帶寬難以做得很窄，靈敏度也不高，而地面又沒(méi)有大天線、高功放，很難實(shí)現(xiàn)四億公里的測(cè)控通信。

到2010年，嫦娥一號(hào)任務(wù)結(jié)束，嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)任務(wù)已經(jīng)開展一段時(shí)間，此時(shí)大家得出共識(shí)，我們不能僅把目光停留在月球上，還要向更遠(yuǎn)的行星邁進(jìn)。所以2010年把火星探測(cè)提到日程上來(lái)，又開始了新一輪的論證，但這個(gè)時(shí)候進(jìn)展還是較慢。到了2014年，嫦娥三號(hào)成功著陸月球表面，我們的地外天體著陸技術(shù)又往前邁了一步，所以在2014年再次提出要去火星。

這也是論證的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：在2014年之前，我們連月球都沒(méi)著陸，不可能直接提及火星的著陸；2014年著陸月球之后，便開始了對(duì)火星的論證，由環(huán)繞變成了環(huán)繞、著陸加巡視，往前又跨一步。2014年開始，我們進(jìn)入了準(zhǔn)工程階段，不僅做些紙面文章，還要做一些先期的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。所以我們工程真正的起點(diǎn)在2014年，直到2016年正式立項(xiàng)。

航天器的研制一般分為三個(gè)階段：一是方案階段，主要做設(shè)計(jì)，即論證它應(yīng)該是個(gè)什么樣子，應(yīng)該有怎樣的指標(biāo)。接下來(lái)初樣階段就是要把圖紙變成現(xiàn)實(shí)，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，考核其電磁性能和在各種環(huán)境的工作狀態(tài)等，從力、熱、空間環(huán)境等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考核。最后是正樣階段，通過(guò)初樣驗(yàn)證后正式確定了狀態(tài)，到正樣階段就把它生產(chǎn)出來(lái)，進(jìn)行測(cè)試、考核，最終送到太空，完成既定任務(wù)。

2014到2016年是方案階段， 2016年到2018年是初樣階段，2018年到2020年是正樣階段，每個(gè)階段都是兩年左右的時(shí)間。研制過(guò)程中還遇到了很多困難，雖然有月球探測(cè)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，但火星探測(cè)的一些新特點(diǎn)還是給我們帶來(lái)不少新的挑戰(zhàn)。

到了2020年4月，我們進(jìn)入海南文昌發(fā)射場(chǎng)，2020年7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭把天問(wèn)一號(hào)送到地火轉(zhuǎn)移軌道。接下來(lái)就是一個(gè)漫長(zhǎng)的旅程，從發(fā)射到真正著陸用了293天，其中去往火星的路上用了200天。

2021年2月10號(hào)，即農(nóng)歷的臘月廿九，天問(wèn)一號(hào)成功到達(dá)火星并被捕獲，成為我們國(guó)家第一個(gè)火星的人造衛(wèi)星，在火星軌道又飛行了三個(gè)月的時(shí)間，共走了4.74億公里的路程。293天的魂?duì)繅?mèng)縈，四億公里的一路追尋，最終在5月15日、5月22日著陸和開始巡視。

天問(wèn)一號(hào)的整個(gè)飛行軌跡如何？下圖是俯瞰太陽(yáng)系的視角，中間是太陽(yáng)，里圈軌道運(yùn)行的是地球，外圈軌道運(yùn)行的是火星。由于地球運(yùn)轉(zhuǎn)的角速度和火星的角速度有差別，公轉(zhuǎn)周期不同，所以在從地球到火星，要走的路線是淺藍(lán)色的路線，而不是一條直線，類似于霍曼轉(zhuǎn)移，這是在轉(zhuǎn)移過(guò)程中能量消耗最小的一個(gè)軌跡。這就決定了發(fā)射時(shí)地球和火星固定的相對(duì)相位，而每26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)相對(duì)相位關(guān)系，所以每26個(gè)月才有一次發(fā)射的機(jī)會(huì)。

接下來(lái)轉(zhuǎn)移的過(guò)程，中間進(jìn)行了多次的軌道調(diào)整，飛行過(guò)程很長(zhǎng)且非常復(fù)雜，修正和調(diào)整就為了它跟火星能夠準(zhǔn)確地交匯。

雖然衛(wèi)星從發(fā)射到火星環(huán)繞歷經(jīng)四億多公里，但這并不是任務(wù)中風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的環(huán)節(jié)，時(shí)間最短的火星進(jìn)入過(guò)程反而是風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)了將近300天的飛行，探測(cè)器開始進(jìn)入著陸環(huán)節(jié)，著陸過(guò)程用時(shí)大概只有九分鐘，卻是所有過(guò)程中最驚心動(dòng)魄的九分鐘。

火星大氣的影響范圍是125公里。進(jìn)入后首先靠氣動(dòng)外形進(jìn)行減速，之后是傘系減速，在這個(gè)過(guò)程中配平翼展開，然后彈傘，氣動(dòng)外形大底拋開。大底拋開后，相關(guān)儀器可以測(cè)量相對(duì)火星表面的距離、速度等信息。在這個(gè)過(guò)程中有一個(gè)參考系的轉(zhuǎn)換，之前的慣性導(dǎo)航將火星當(dāng)成一個(gè)理想球，而此時(shí)可以直接相對(duì)表面測(cè)量飛行器的距離和速度，并得到絕對(duì)高度，而非相對(duì)理想球體的速度和高度。

在最后一到兩公里時(shí)，把背罩拋掉，傘與飛行器分離。平臺(tái)接下來(lái)只能依靠自身的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。動(dòng)力減速過(guò)程中需要對(duì)障礙進(jìn)行識(shí)別和規(guī)避，最后著陸到火星的表面。這個(gè)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高，后面會(huì)提到其中的難點(diǎn)和解決的問(wèn)題。著陸到火星表面之后旋梯展開（如下左圖所示），祝融號(hào)駛離，右圖是祝融號(hào)桅桿上的導(dǎo)航相機(jī)對(duì)自己的一個(gè)自拍。祝融號(hào)上面有一個(gè)太陽(yáng)能集熱器，這個(gè)車上另開有兩個(gè)天窗，其作用在后面也會(huì)提到。

下圖是著陸后火星車和平臺(tái)的合影實(shí)拍?；鹦擒囜尫帕艘粋€(gè)小的無(wú)線照相機(jī)，拍攝之后照相機(jī)把信息傳到火星車上，火星車再把信息傳到環(huán)繞器上，最終傳回地面。

祝融號(hào)在火星表面的探測(cè)分為三大任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是感知，在啟動(dòng)之前會(huì)對(duì)周圍進(jìn)行掃描，把周圍的地形地貌通過(guò)相機(jī)的拍攝傳到地面，地面可以根據(jù)這些信息建立起周圍的三維影像結(jié)構(gòu)，并規(guī)劃車行走的路線。第二個(gè)任務(wù)是移動(dòng)，車根據(jù)地面的指令進(jìn)行移動(dòng)。第三個(gè)任務(wù)是探測(cè)，既在移動(dòng)中進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，也在停止的時(shí)候進(jìn)行。

其中移動(dòng)有多種形式，一種是靠地面指定每一步的步長(zhǎng)。同時(shí)也可以不靠地面指定，只告訴它一個(gè)40米之內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)，它就可以邊走邊看邊規(guī)劃，自主移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)路徑不合適，就會(huì)主動(dòng)選擇合適的路徑去到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。類似我們?nèi)粘Ｓ玫降膶?dǎo)航軟件會(huì)給你提供多種路線。

祝融號(hào)的智能性，可謂是當(dāng)今地外天體巡視器的最高水平，雖然和地球地面的無(wú)人駕駛車輛相比還是有差距。這個(gè)差距來(lái)自兩方面：第一，地球地面的情況和火星上的地形完全不一樣，地球上自動(dòng)駕駛可以利用公路的標(biāo)志線等信息做輔助；第二，地面的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力更強(qiáng)，可以達(dá)到更高的智能程度。祝融號(hào)受限于各種因素，但也達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

這次火星探測(cè)，一次就實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞、著陸和巡視三個(gè)目標(biāo)，這樣的成功并不是偶然。嚴(yán)肅認(rèn)真的論證歷程，嫦娥探月工程帶來(lái)的技術(shù)支撐等，都是成功的基礎(chǔ)，加上團(tuán)隊(duì)的不懈努力，以及航天積淀下來(lái)的技術(shù)、物資、實(shí)驗(yàn)，還有精神財(cái)富，這些因素共同促成了天問(wèn)任務(wù)的圓滿成功。

天問(wèn)解決了哪些“靈魂之問(wèn)”

最后給大家介紹這一次任務(wù)過(guò)程中解決了哪些問(wèn)題，面臨了哪些挑戰(zhàn)？一共有六個(gè)方面。

第一個(gè)還是測(cè)控通信的問(wèn)題。如前文所提，2007年火星探測(cè)沒(méi)有成行的一個(gè)很重要的原因是四億公里的通訊瓶頸。四億公里雖然在宇宙尺度上是一個(gè)很近的距離，但實(shí)際卻很遠(yuǎn)。

給大家舉一個(gè)例子，月球離地球38萬(wàn)公里，而火星最遠(yuǎn)的距離相當(dāng)于1000倍的地月距離，因此地面發(fā)射的信號(hào)，在火星上接收到的強(qiáng)度是在月球的百萬(wàn)分之一，因?yàn)闊o(wú)線電傳輸?shù)哪芰颗c距離的平方成反比。但隨著近十年航天科技的發(fā)展，這件事情如今已不再困難。

具體是怎么來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的？第一是地面設(shè)施的完備。下圖是國(guó)家在武清建設(shè)的70m直徑單口徑天線，應(yīng)該說(shuō)還是非常壯觀的。再有探測(cè)器上通信電子設(shè)備已經(jīng)全部數(shù)字化，靈敏度較傳統(tǒng)模擬設(shè)備提高顯著。

另外還有一些我們獨(dú)創(chuàng)的方案和智慧?；鹦擒嚺c地球地面通信受很多限制，因而其對(duì)地通信只能發(fā)個(gè)短信息，告訴地面我很健康、現(xiàn)在能源充足等，僅包含幾個(gè)簡(jiǎn)單的字。所有探測(cè)的數(shù)據(jù)，如對(duì)周圍環(huán)境的感知、科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)等，都要通過(guò)環(huán)繞器再傳到地球地面，因?yàn)榄h(huán)繞器有更大口徑的天線、更充足的太陽(yáng)能、更高功率的發(fā)射機(jī)，可以提供更好的通信。

這次火星探測(cè)既要環(huán)繞，又要著陸、巡視，不僅要面對(duì)這三個(gè)任務(wù)單獨(dú)帶來(lái)的困難，也要面臨這三個(gè)任務(wù)耦合在一起的困難，通訊就面臨這個(gè)問(wèn)題。美國(guó)已經(jīng)有了在軌航天器作為信號(hào)中繼，毅力號(hào)飛到火星直接著陸即可。已有的在軌航天器提前做好相位調(diào)整，可以給毅力號(hào)提供數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)傳輸可以有很多窗口。

但我們的天問(wèn)一號(hào)不行，只有同期去的一個(gè)環(huán)繞器，一天只有一次數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會(huì)，怎么辦？我們就在頻段上做了一些新的方案，除了現(xiàn)在回傳采用的UHF天線之外，還把對(duì)地X頻段復(fù)用成2G的中繼通信頻段，這樣就可以把一個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，甚至三個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)使用。

解決了通信，接下來(lái)的一個(gè)問(wèn)題就是如何安全度過(guò)魔鬼九分鐘后還能夠生存，并成功著陸在火星表面。探測(cè)器從進(jìn)入火星大氣到著陸的過(guò)程中，由于信號(hào)的20分鐘時(shí)延，不可能靠地球地面上的手動(dòng)干預(yù)來(lái)控制它的狀態(tài)，而是要靠探測(cè)器自主完成。這個(gè)過(guò)程很復(fù)雜，要自主控制導(dǎo)航、彈傘、拋大底等一系列過(guò)程。此外，還要考慮火星環(huán)境對(duì)探測(cè)器的影響，不管火星刮風(fēng)、沙塵還是普通晴天，都要保證能夠正常完成任務(wù)。

整個(gè)九分鐘的過(guò)程大概分為四個(gè)階段：氣動(dòng)減速段，傘系減速段，動(dòng)力減速段，還有著陸緩沖段。98%的速度靠前兩個(gè)階段減速完成，后兩個(gè)過(guò)程跟月球著陸非常接近，在此不做詳細(xì)敘述。

火星的大氣提供了一個(gè)很好的減速條件，只要做好氣動(dòng)外形和減速傘，接下來(lái)的減速過(guò)程就不需要消耗燃料，大氣提供天然的減速作用力，而且還是個(gè)變減速的過(guò)程，速度越快減速效果越好，正好是所需要的性質(zhì)。但是我們對(duì)火星大氣并不熟悉，它總在變化，具有很大的不確定性，因此我們需要加強(qiáng)對(duì)這個(gè)過(guò)程的認(rèn)知。

解決這個(gè)問(wèn)題的思路是什么？我們決定要用較為先進(jìn)、復(fù)雜的技術(shù)。盡管這會(huì)給我們的研制帶來(lái)更多的困難，但能夠?qū)鹦堑牟淮_定性有更好的容忍度。通過(guò)自己的努力，把不能把握的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，這是我們工作的原則和設(shè)計(jì)初衷。因此我們采用了彈道-升力式進(jìn)入火星大氣。

進(jìn)入火星大氣的方式有多種，一種是彈道式，這是一種基本不用控制自旋、姿態(tài)的方式，像子彈、炮彈一樣進(jìn)入大氣；還有一種是彈道-升力式進(jìn)入，要通過(guò)對(duì)滾動(dòng)傾側(cè)角的調(diào)整，使它產(chǎn)生一定大小可調(diào)的升力，并對(duì)航跡進(jìn)行控制。彈道式進(jìn)入沒(méi)有調(diào)節(jié)能力，適應(yīng)性差，但它的控制簡(jiǎn)單；彈道-升力式進(jìn)入能做調(diào)節(jié)卻控制復(fù)雜。

把控制、推進(jìn)系統(tǒng)做復(fù)雜，就是為了對(duì)不確定性能夠有更好的容忍度。但是它還有一個(gè)問(wèn)題，就是在控制升力的階段，本體的軸線跟來(lái)流方向要不一樣才行，這就是所謂的需要有一個(gè)配平攻角。而到開傘的時(shí)候，就希望來(lái)流方向跟軸線方向是一樣的，即零攻角。而我們既然選擇彈道-升力式進(jìn)入，就要兼顧這兩個(gè)過(guò)程的銜接。

該如何解決它？采用的方式如下圖所示，氣動(dòng)外形外殼伸出來(lái)的部分就是配平翼，剛進(jìn)入大氣的時(shí)候它是收攏的，在氣動(dòng)段減速基本結(jié)束之后，把配平翼打開，靠機(jī)動(dòng)力對(duì)它的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，把攻角調(diào)整回來(lái)，這樣來(lái)流方向跟開傘方向就是一個(gè)方向，來(lái)減輕尾流對(duì)開傘的影響。這個(gè)方案只花了大概15公斤質(zhì)量的代價(jià)，因?yàn)樗嗍强繗鈩?dòng)力來(lái)產(chǎn)生姿態(tài)的改變。

國(guó)外是怎么做的？美國(guó)在2011年好奇號(hào)時(shí)才采用彈道-升力式進(jìn)入，之前采用的都是彈道式進(jìn)入。它的彈道式進(jìn)入也要解決攻角調(diào)整的問(wèn)題，但采用的是拋配重改變質(zhì)心的方式，在開傘前拋掉100公斤左右的配重，質(zhì)心調(diào)整回來(lái)，然后再依靠氣動(dòng)作用，最終軸線跟來(lái)流方向保持一致。這套系統(tǒng)花費(fèi)100多公斤的代價(jià)，我們只花了這種方案的約1/10。這是在火星進(jìn)入過(guò)程中，國(guó)際上第一次采用對(duì)氣動(dòng)外形進(jìn)行調(diào)整使其能夠進(jìn)行攻角調(diào)整的方案，為火星進(jìn)入的氣動(dòng)外形研究貢獻(xiàn)了中國(guó)的智慧。

除了氣動(dòng)減速之外，還有一個(gè)傘系減速階段。再入地球的飛船、衛(wèi)星等也有傘，但這些傘基本上都是在亞音速下開展，為什么？因?yàn)楹突鹦菤鈩?dòng)外形不同，它們的氣動(dòng)外形穩(wěn)定性很好，不需要開傘來(lái)維持穩(wěn)定性，所以不需要超音速開傘。而火星大氣稀薄，要提高減速的能力，其外形就要設(shè)計(jì)成一個(gè)大盾體，考慮到這一外形的穩(wěn)定性因素，就必須要在超音速下開傘。

因此就要用一個(gè)新型的傘，跟地球降落傘的形式不同，中間是個(gè)盤，并有一個(gè)鏤空的縫兒，縫的下面有一條帶，叫盤縫帶傘，盤起阻力的作用，縫和帶的配合起穩(wěn)定作用。在超音速下開傘和傘降的穩(wěn)定性是需要保證的，所以新研了適用于火星大氣的鋸齒形盤縫帶傘，在兩馬赫速度下開傘。因?yàn)榈厍虻乇淼拇髿饷芏扰c火星不同，為了能夠在地球上驗(yàn)證傘的性能，就用火箭彈，即探空火箭，把傘和探測(cè)器的等重模型，發(fā)射到33公里的高度，這個(gè)高度的大氣密度跟火星大氣密度基本相同。正因?yàn)檫@樣一個(gè)地面的驗(yàn)證，使我們對(duì)新型的傘有了更準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，傘的整個(gè)的狀態(tài)也非常好。

再有就是著陸的問(wèn)題。著陸可以說(shuō)是對(duì)于探月避障技術(shù)的延續(xù)和再應(yīng)用，只是敏感距離有所區(qū)別。為了著陸更安全，在進(jìn)入過(guò)程中要對(duì)著陸巡視區(qū)進(jìn)行成像。在高度一公里左右進(jìn)行粗避障，即進(jìn)行超過(guò)一米的大障礙的識(shí)別，目標(biāo)是避開大的石塊、坑等；然后100米高度在著陸區(qū)上方懸停，然后進(jìn)行成像、障礙的識(shí)別，在繼續(xù)下降過(guò)程中進(jìn)行規(guī)避。

為此也做了很多的安全著陸的實(shí)驗(yàn)，在室外建立了地外綜合模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，可以提供重力的模擬，把探測(cè)器吊掛在上面，然后探測(cè)器自身靠發(fā)動(dòng)機(jī)、地形敏感、導(dǎo)航來(lái)進(jìn)行控制。

著陸之后，在火星表面巡視又遇到哪些困難？不知道大家怎么看，我和我的團(tuán)隊(duì)都覺得祝融號(hào)的設(shè)計(jì)是很漂亮的，四片太陽(yáng)翼展開之后非常像一只蝴蝶。

這只蝴蝶是怎么誕生的？并不是說(shuō)一開始就要把它設(shè)計(jì)成一個(gè)蝴蝶，其實(shí)有任務(wù)的內(nèi)在需求。因?yàn)榛鹦蔷嗵?yáng)比地球更遠(yuǎn)，又由于火星大氣的衰減，所以在火星表面，太陽(yáng)能只有月球表面或者地球大氣層外光強(qiáng)的20%。靠太陽(yáng)能作為唯一的能源時(shí)，它的弱光照就給我們帶來(lái)一些困難，這就要求我們考慮怎么能更充分地利用太陽(yáng)能，蝴蝶就是在這個(gè)背景下誕生的。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，做了將近三個(gè)月的論證，最終才破繭成蝶，成為現(xiàn)在蝴蝶的樣子。直接的想法就是設(shè)計(jì)更大的太陽(yáng)翼面積，這樣在一定的光轉(zhuǎn)化效率下，就可以固定更多的太陽(yáng)能。所以一開始的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單、面積很大，但受限于車體，設(shè)計(jì)就要往高度方向發(fā)展，把太陽(yáng)翼的兩片架起來(lái)。但這樣就有很多的問(wèn)題，如沒(méi)有很好的固定支撐點(diǎn)、發(fā)射階段響應(yīng)很大，而且這個(gè)方向的高度給背罩空間的設(shè)計(jì)帶來(lái)一些約束和困難。這種方案不行就做成多折，一邊兩片，沿著兩個(gè)方向展開，但這個(gè)方案也有問(wèn)題，一是太丑了，更關(guān)鍵的是沿車身方向太長(zhǎng)，車從平臺(tái)下降或做爬坡、越障時(shí)，后體的太陽(yáng)翼很容易跟地面發(fā)生擦碰，所以這個(gè)方案也有問(wèn)題。

再有一種設(shè)計(jì)就是像扇子一樣展開，這樣可以把空間率提高。但是這里有個(gè)問(wèn)題，展開以后每一片都不規(guī)則，而每個(gè)太陽(yáng)能電池片都有一定的尺寸，這樣的布片效率很低，雖然面積很大，但真正有效的、能放上去的電池片又很少，所以這個(gè)也被否定。這是有代表的三個(gè)，當(dāng)然其他的還有很多，例如平展的扇子設(shè)計(jì)等，后來(lái)都覺得并不理想。

兩片式太陽(yáng)翼方案

四片長(zhǎng)方形太陽(yáng)翼

扇形折疊太陽(yáng)翼

有個(gè)年輕的設(shè)計(jì)師提出了現(xiàn)在這樣的設(shè)計(jì)方案，即一體的壓緊。這四片太陽(yáng)翼的尺寸完全一樣，收攏時(shí)就是左圖的狀態(tài)，展開后如中圖，而且這個(gè)面積相比剛才幾種形式大很多，后體方向的長(zhǎng)度也在可控范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)跟平臺(tái)或者是爬坡過(guò)程中跟地面擦碰的問(wèn)題。大家一致認(rèn)為這個(gè)方案很實(shí)用也很好看，最終確定了這個(gè)方案。

四展太陽(yáng)翼方案 

總之，現(xiàn)在大家看到的飛行成果、天問(wèn)外形、技術(shù)方案，在整個(gè)方案和初樣階段，都經(jīng)歷了反反復(fù)復(fù)的研討、驗(yàn)證，希望能夠得到一個(gè)滿足任務(wù)要求的整體最優(yōu)解。

還有火星低溫的特點(diǎn)，剛才提到太陽(yáng)翼面很大，像一只蝴蝶一樣可以獲得更多的太陽(yáng)能，在獲得這些能量之后足夠供設(shè)備供電、工作等等，但火星還有夜晚，火星的自轉(zhuǎn)周期跟地球基本一致，24小時(shí)多37分鐘，到夜晚的時(shí)候氣溫到達(dá)零下，不同緯度、不同季節(jié)的夜晚氣溫不同，最冷能達(dá)到零下100度。所以夜晚的能量獲得、熱量保溫成為了問(wèn)題。

我們采用了兩種方式，一是保溫，采用新型低重量納米氣凝膠隔熱材料。熱交換有三種方式，一是對(duì)流，在地球上的散熱主要靠空氣的對(duì)流；另外兩個(gè)是熱傳導(dǎo)、熱輻射。一般的衛(wèi)星處于真空中，因而沒(méi)有對(duì)流，主要是傳導(dǎo)、輻射。所以大家看到普通的衛(wèi)星都是穿著金燦燦的多層隔熱材料，這種材料只有在真空下才可以起到很好的隔熱效果。

但是在火星上，因?yàn)橛械厍?%、不到1000帕的大氣，多層隔熱材料無(wú)法阻止火星大氣對(duì)流，因而起不到隔熱的效果。我們就采用了新型的隔熱材料，叫納米隔熱氣凝膠。這種材料很輕，輕到可以放到一朵花上（如下圖）。它是一種多孔材料，因?yàn)榭讖胶苄?，空氣在里面不?huì)產(chǎn)生對(duì)流，因此阻斷了對(duì)流的熱交換。

納米氣溶膠隔熱材料

這是保溫上的嘗試，但無(wú)論怎么保溫它還會(huì)漏熱，還需要補(bǔ)充熱能。怎么辦？一開始我提到車上帶了兩個(gè)天窗，就是太陽(yáng)能集熱器。它白天把熱能收集起來(lái)，晚上把熱能放出去，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%，如果轉(zhuǎn)換成電，電再轉(zhuǎn)換成熱，靠光伏發(fā)電這種方式，效率只能達(dá)到30%到35%。

這就高效的利用了太陽(yáng)能，滿足火星車上的能源需求。這也是國(guó)際上在地外探測(cè)器上第一次采用這種高效利用太陽(yáng)能的集熱器技術(shù)。通過(guò)有效、輕質(zhì)的隔熱材料保溫和天窗的集熱，現(xiàn)在祝融號(hào)在火星表面工作狀態(tài)很好，夜晚的溫度也很舒適。

太陽(yáng)能集熱器

另外，火星表面有沙塵的問(wèn)題，火星上全球性的沙塵時(shí)有發(fā)生，一旦出現(xiàn)沙塵，那就是暗無(wú)天日。在火星沙塵天氣的情況下，太陽(yáng)變得不可見。針對(duì)這樣一個(gè)可能存在的極端條件，如何解決太陽(yáng)能利用的問(wèn)題？有兩方面的處理，一是太陽(yáng)能電池表面做了一些特殊處理，把沙塵的附著力降得很小，不太容易出現(xiàn)沙塵的積累；另外，通過(guò)太陽(yáng)翼的運(yùn)動(dòng)抖落浮在表面的沙塵。

第二，如果真正的沙塵到來(lái)，好幾天都見不到太陽(yáng)。怎么辦？?jī)?chǔ)存的電能、熱能不足以支持正常的工作時(shí)，可以進(jìn)行自主休眠，就像動(dòng)物冬眠一樣，等到太陽(yáng)升起來(lái)、天氣變好了，再自主地喚醒。這是面對(duì)極端的天氣，祝融號(hào)預(yù)留的一些應(yīng)對(duì)手段，我們不期望它能夠真正派上用場(chǎng)，但真正出現(xiàn)極端天氣以后，還是有辦法度過(guò)危機(jī)。

最后一個(gè)是在火星表面巡視。探測(cè)器的車輪要跟火星表面的石塊兒、土壤接觸，接觸的地面不像地球上平整的路面，探測(cè)器著陸的區(qū)域基本類似于地球的戈壁，而且火星表面石塊非常堅(jiān)硬。之前的火星車在火星表面遇見過(guò)許多困難，首先是車體出現(xiàn)一些沉陷，從車轍的痕跡看出有很明顯的滑移，顯示出沉陷度很大。另外還有堅(jiān)硬的石塊在行進(jìn)過(guò)程中導(dǎo)致車輪破損，這都是前車之鑒。

火星車的沉陷

火星車車輪破損

針對(duì)祝融號(hào)在火星表面進(jìn)行巡視、探測(cè)中可能出現(xiàn)的故障，我們的絕招是什么？大家可以看下面幾個(gè)小動(dòng)畫，第一個(gè)是車體抬升，發(fā)射時(shí)處于收攏狀態(tài)可以抬升，在火星表面過(guò)一些障礙的時(shí)候也可以使車體抬升，通過(guò)車體抬升和下降可以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)。這其實(shí)相當(dāng)于一臺(tái)裝有主動(dòng)懸架的車，即懸架不是隨地形被動(dòng)改變，而是主動(dòng)改變。這也是國(guó)際上第一個(gè)在地外天體巡視器上采用主動(dòng)懸架移動(dòng)的系統(tǒng)。它的好處是有更強(qiáng)的通過(guò)性和脫困能力，對(duì)車輪遇到的一些障礙，通過(guò)車體抬升、下沉、再抬升、再下沉，產(chǎn)生蠕動(dòng)過(guò)程脫困。

火星車的六個(gè)輪都可以獨(dú)立轉(zhuǎn)向、獨(dú)立行進(jìn)控制，所以它可以蟹行，就是車可以橫著走。當(dāng)進(jìn)入一個(gè)障礙很多的區(qū)域時(shí)，就不需要轉(zhuǎn)身，因?yàn)樵剞D(zhuǎn)彎有轉(zhuǎn)彎半徑，它可以向任意方向行走。對(duì)于松軟土壤它可以斜著爬坡，類似于人爬坡走“之”字，疊加上車轍的影響，它爬坡能力會(huì)得到很大的提升。這樣一個(gè)新型的移動(dòng)系統(tǒng)更適合火星復(fù)雜的地形，此外這個(gè)車可以進(jìn)行抬輪兒，增加了可用的探測(cè)場(chǎng)景。

針對(duì)車輪容易破損的問(wèn)題，我們采用了新型的鋁基碳化硅材料，即使車的所有重量集中在車輪的某個(gè)點(diǎn)，它的承壓強(qiáng)度都可以滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)破損。所以我們相信祝融號(hào)能在路面很復(fù)雜、有很尖銳的火星石塊的情況下，也有很好的移動(dòng)性能。

最后展望一下未來(lái)，因?yàn)樘靻?wèn)只是行星探測(cè)的第一步，未來(lái)還有小天體的探測(cè)、火星的采樣返回，以及木星系探測(cè)等。火星的采樣返回目前人類的航天器還沒(méi)有成功過(guò)，但我相信未來(lái)的五到十年，會(huì)有人類的航天器實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，我也相信我們國(guó)家的航天器是其中的一員。

我們的征程是星辰大海，希望未來(lái)的征程中能得到大家的支持和幫助，更期望未來(lái)的征程中有大家的參與。

注：內(nèi)容整理自墨子沙龍“中國(guó)登陸火星！——天問(wèn)之路”活動(dòng)。

制版編輯 | Morgan