剛剛！“天問一號”飛行4.7億公里成功入火星軌道，專家解讀難度有多大？
“天問一號”火星探測器駛離地球，奔向火星，示意圖來自國家航天局
撰文 | 龐之浩（全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
責(zé)編 | 葉水送
2月10日晚間，在浩瀚無垠的宇宙中飛行了202天后，“天問一號”終于進入火星軌道。
央視新聞剛剛公布的信息
2020年7月23日，火星探測器“天問一號”在海南文昌發(fā)射場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，“天問一號”完成了地月合照、探測器“自拍”、3次在軌自檢、4次中途修正和1次深空機動等任務(wù)。今天“天問一號”實施近火制動，俗稱“剎車”減速，從而被火星捕獲，進入環(huán)火星飛行的軌道。
接下來，“天問一號”通過環(huán)繞火星，在著陸區(qū)上空對著陸區(qū)開展探測，為5月份著陸巡航器著陸火星做準備。
一舉三得的火星探測計劃
“天問一號”火星探測任務(wù)是中國國家航天局第一個火星探測計劃，于2016年1月11日正式立項，2020年4月24日被正式命名為“天問一號”，是中國行星探測工程的首次任務(wù)，它將深化中國人對火星乃至太陽系的科學(xué)認知，推進比較行星學(xué)等重大問題研究。
“天問一號”將通過一次發(fā)射實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項任務(wù)，用環(huán)繞器對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，用巡視器對有科研價值的局部地區(qū)開展高精度、高分辨率的詳細調(diào)查。這在人類火星探測史上是前所未有的。
采用這種“一舉三得”的探火方式，起點高，效益高，但挑戰(zhàn)大。如果成功了，可使我國深空探測能力和水平實現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第三個在火星著陸的國家，第二個在火星巡視的國家。從科學(xué)上講，“天問一號”是對火星形態(tài)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、空間環(huán)境、土壤和水冰分布等進行研究的最全面的任務(wù)，這有利于建立起對火星全面而基礎(chǔ)的認識。
“天問一號”火星探測器進行熱試驗（來源：中國航天科技集團）
2020年7月23日，我國用“長征五號”遙四運載火箭發(fā)射了我國首個火星探測器。這是長征五號系列運載火箭首次應(yīng)用性發(fā)射，把探測器直接送入了地火轉(zhuǎn)移軌道。
“天問一號”于2021年2月10日左右到達火星軌道，最后，“天問一號”的著陸巡視器將在探測器進入火星軌道約3個月后，在火星表面進行軟著陸，候選著陸點為火星北半球的烏托邦平原（Utopia Planitia）。
“天問一號”的兩大目標
“天問一號”的工程目標是：
突破火星制動捕獲、進入/下降/著陸（EDL）、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等，實現(xiàn)火星環(huán)繞探測和巡視探測；獲取火星探測科學(xué)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)我國在深空探測領(lǐng)域的技術(shù)跨越。
至于“天問一號”的科學(xué)目標，總結(jié)起來有五個：
一是研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征。探測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。
中國火星探測任務(wù)
三是分析火星表面物質(zhì)組成。識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。
四是測量火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征。探測火星空間環(huán)境及火星表面氣溫、氣壓、風(fēng)場，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（電磁場、引力場）與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探測火星磁場特性。開展火星早期地質(zhì)演化歷史及火星內(nèi)部質(zhì)量分布和重力場研究。
“天問一號”研制團隊擺字
中國火星探測的兩大利器
我國首次火星探測任務(wù)由工程總體和探測器、運載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。其中，“天問一號”火星探測器由環(huán)繞器、著陸巡視器（包括進入艙和火星車）組成，總質(zhì)量約5噸（含燃料）。
“天問一號”全貌（來源：網(wǎng)絡(luò)）
“天問一號”由環(huán)繞器和著陸巡視器組成示意圖（來源：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)計壽命1個火星年（687個地球日），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、火星制動捕獲和軌道調(diào)整等任務(wù)，為火星車提供3個月的中繼支持服務(wù)，通過攜帶的科學(xué)載荷對火星開展約一個火星年的科學(xué)探測，實現(xiàn)對火星全球普查和局部詳查。
它具備三大功能：飛行器、通信器和探測器；需克服飛行時間長，面臨環(huán)境差，控制要求高，空間動作繁四大困難；涉及五個主要環(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。
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動修正飛行路徑，探測器飛過超過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，探測器被火星捕獲，此時距離地球近1.93億公里，通信時延約11分鐘：
環(huán)繞器及其高分辨率相機（來源：網(wǎng)絡(luò)）
離軌著陸段：進入捕獲軌道后，環(huán)繞器將調(diào)整至停泊軌道，并將擇機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)繞器將再次進入中繼軌道，為地球與著陸器提供為期3個月的中繼通信服務(wù)，為它們搭建起溝通的橋梁。
科學(xué)探測段：中繼任務(wù)結(jié)束后，環(huán)繞器將再次進行降軌進入科學(xué)探測軌道，對火星軌道空間、火星表面開展科學(xué)探測。
其主要科學(xué)任務(wù)：拍攝中國首張火星全圖；探測火星土壤類型分布和結(jié)構(gòu)，探測火星表面和地下水冰；探測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行星際環(huán)境。
為此，環(huán)繞器攜帶了7臺科學(xué)儀器：
（1）中分辨率相機，用于獲取火星全球遙感影像圖。
（2）高分辨率相機，用于對著陸區(qū)和高科學(xué)價值區(qū)域成像。
“天問一號”環(huán)繞器搭載的高分相機，來自網(wǎng)絡(luò)
（3）次表層雷達，用于開展火星表面次表層結(jié)構(gòu)、極地區(qū)冰層探測。
（4）礦物光譜分析儀，用于探測火星表面的礦物種類、含量和空間分布情況。
（5）磁強計，用于探測火星空間磁場環(huán)境。
（6）離子與中性粒子分析儀，用于對太陽風(fēng)以及火星空間離子和中性粒子的能量、通量和成分進行測量。
（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數(shù)據(jù)。
中國首輛火星車約240千克，質(zhì)量幾乎是玉兔號月球車的兩倍，用于在著陸區(qū)開展巡視探測，設(shè)計工作壽命3個火星月（92個地球日）。
其主要科學(xué)任務(wù)：探測火星巡視區(qū)表面元素、礦物和巖石類型；探測火星巡視區(qū)土壤結(jié)構(gòu)并探查水冰；探測火星巡視區(qū)大氣物理特征與表面環(huán)境，探測火星巡視區(qū)形貌和地質(zhì)構(gòu)造。
著陸巡視器由進入艙和火星車組成示意圖
為此，火星車攜帶6臺科學(xué)儀器：
（1）導(dǎo)航/地形相機，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，用于探測火星表面物質(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，用于探測巡視區(qū)次表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。
（4）表面成分探測儀，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）表面磁場探測儀，用于探測巡視區(qū)局部磁場。
（6）氣象測量儀，用于探測巡視區(qū)環(huán)境氣溫等氣象環(huán)境。
它們可以與火星上空運行的軌道器進行天地聯(lián)合探測，可實現(xiàn)對火星大氣、電離層、磁場的全面探測。
另外，我國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、天行和星火這10個征名中產(chǎn)生。
中國火星車與著陸器示意圖（來源：國家航天局）
火星探測到底有多難？
“天問一號”探測任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測六個階段。具體實施步驟如下：
（1）“天問一號”探測器在海南文昌航天發(fā)射場，采用長征五號遙四運載火箭，將“天問一號”送入地火轉(zhuǎn)移軌道。
（2）器箭分離后，探測器上的太陽電池翼和定向天線相繼展開，在測控系統(tǒng)支持下飛往火星，約7個月后抵達。為了精確飛向火星，其間進行1次深空機動和4次中途修正。中途修正一般是指在探測器飛行過程中，對各種原因?qū)е碌能壍榔x進行修正，使探測器更貼近理論軌道飛行。
2020年7月27日，“天問一號”在飛離地球約120萬公里處，利用光學(xué)導(dǎo)航敏感器拍攝的黑白地月合影（來源：國家航天局）
2020年8月2日7時整，“天問一號”在距地球300萬公里時，其上3000牛發(fā)動機工作20秒，完成第一次軌道中途修正，并在軌檢驗了3000牛發(fā)動機性能。
距離地球約300萬公里，“天問一號”完成首次軌道修正（來源：國家航天局）
2020年9月20日23時，“天問一號”在距離地球約1900萬公里，飛行路程約1.6億公里時，其上4臺120牛發(fā)動機同時點火工作20秒，完成第二次軌道中途修正，并在軌驗證了120牛發(fā)動機的實際性能。
2020年9月20日，“天問一號”完成第二次軌道中途修正，4臺120牛發(fā)動機點火推進20秒，圖片來自網(wǎng)絡(luò)
2020年10月1日，國家航天局發(fā)布“天問一號”的自拍像。由于本身個頭大，如用自拍桿，需要一個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，我國采用了“分離式監(jiān)測方案”，即用一套由多個“小質(zhì)量、小個頭、小能耗”傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng)，可在合適的光照條件下“拋”出一個輕型相機對“天問一號”進行拍攝，并實時把圖像傳到探測器上。
“天問一號”自拍（來源：國家航天局）
2020年10月9日23時，“天問一號”上的3000牛主發(fā)動機再次點火工作480秒，順利完成深空機動，改變了探測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。
探測器深空機動軌道示意圖（來源：國家航天局）
中途修正是為了減小飛行偏差，使探測器沿著預(yù)定的軌道飛行而進行的軌道控制。深空機動是改變探測器當前軌道，使其進入一條新的軌道而進行的軌道控制。執(zhí)行深空機動是軌道聯(lián)合優(yōu)化的結(jié)果，能夠提升運載火箭的發(fā)射能力、增加探測器的發(fā)射質(zhì)量，使探測器可以攜帶更多的推進劑，更好地完成探測任務(wù)。
在次深空機動中，環(huán)繞器瞄準的制動捕獲時火星的位置距離環(huán)繞器約3億公里遠，誤差控制約200公里，相當于北京到上海約1200公里距離中瞄準一個直徑約0.8米的目標，實際精度優(yōu)于設(shè)計指標。
2020年10月28日22時，“天問一號”上的8臺25牛發(fā)動機同時點火，完成了第三次軌道中途修正，并在軌檢查了25牛發(fā)動機的性能，為后續(xù)調(diào)整飛行姿態(tài)而做好準備。
2021年 2月5日20時，“天問一號”上的8臺25牛發(fā)動機同時點火工作12秒，順利完成地火轉(zhuǎn)移段第四次軌道中途修正，以確保按計劃實施火星捕獲。
此前，“天問一號”在距離火星約220萬公里處，獲取了首幅火星圖像。圖中，火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑，以及火星最長的峽谷——水手谷等標志性地貌清晰可見。
“天問一號”首張火星照片（來源：中國航天科技集團）
（3）探測器在即將進入火星軌道，距離地球1.93億公里，距離火星僅400公里時相對火星的速度為5.3公里/秒，通信單向時延約11分鐘。為了被火星引力捕獲，進入火星軌道，“天問一號”要調(diào)整飛行姿態(tài)，將發(fā)動機的噴管朝向前方，待到時機恰當時3000牛發(fā)動機點火開機，以降低探測器的速度，這一過程將持續(xù)約14分鐘。制動后環(huán)火軌道近火點的速度是4.6公里/秒。僅有一次機會，地面無法對這一制動過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲。
探測器進行制動“剎車”的時機和大小要十分精準，如果制動點火時間過長或過猛，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星；如果制動點火時間過短或過輕，探測器飛行速度過快，就會沿拋物線軌跡飛離火星。只有“剎車”時機和時長都分秒不差，才能形成理想的捕獲軌道。例如，如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會飛離火星，造成捕獲任務(wù)失敗。
3000牛發(fā)動機近火制動示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）
（4）進入環(huán)火軌道后，“天問一號”在近火點離火星約400千米，遠火點在180000千米左右的大橢圓軌道繞著火星飛行，在停泊一段時間后調(diào)整自身狀態(tài)，隨后再次制動減速，降低飛行高度，最終到達近火點高度265千米，遠火點高度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環(huán)節(jié)做好相應(yīng)準備?！疤靻栆惶枴蓖ㄟ^約3個月的環(huán)繞飛行后首選進入窗口，其間在著陸區(qū)上空對著陸區(qū)開展探測。
從地球發(fā)射到火星環(huán)繞的完整連續(xù)軌道（來源：中國航天報）
（5）探測器擇機實施降軌機動，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，為著陸過程提供中繼通信。著陸巡視器進入火星大氣，依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動作，著陸于火星表面。
（6）著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺，開始巡視探測。著陸巡視器安全著陸后，環(huán)繞器進入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學(xué)探測。火星車完成探測任務(wù)后，環(huán)繞器進入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴展任務(wù)中繼通信。
我國火星著陸區(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，因此著陸點海拔越低減速時間越長，著陸越安全。
著陸巡視器在火星著陸示意圖（來源：國家航天局）
最后，在牛年即將來臨之際，?！疤靻栆惶枴币磺许樌瓿深A(yù)定任務(wù)。
參考文獻
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