「火星探測季」| 不僅僅是發射那麼簡單
2020-08-05 牧夫天文
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文案：徐鵬暉（原創作者）
排版：簡稚珉
後臺：庫特莉亞夫卡 李子琦
不僅僅是發射那麼簡單
一個研究生的火星任務日記（一）
【火星探測季】原創系列
又到了兩年多才有一次的火星探測發射窗口期了，今年全球有多個火星探測項目等待發射。近日我國的首個自主火星任務——天問一號已成功發射，引發了大家對於火星探測任務的關注。正巧筆者在剛剛結束的這個學期中有一門名為「空間任務分析與設計」的課程，這個課程的小組課程設計就是火星探測任務的概念設計，因此想從另一個角度帶大家看一看發射背後的那些事兒，領略一下一個火星任務的全貌。
天問一號發射現場（圖源網絡）
「我們這個課呢會以小組課程設計的方式考核大家對課堂所學知識的運用能力，最後這個ppt給了大家幾個可以參考的空間任務選題，當然大家也可以自己設計一個題目，這個課程設計的結果最後是以一個空間任務項目建議書的形式呈現的。沒有問題的話我們就下課了。」
老師說完後我們就陸續退出了線上會議室。今年上半年，因為眾所周知的原因，我們的所有課程都改為線上進行。當天晚上下課之後我們小組群裡就開始討論起我們的課程設計要選個什麼題目。
「要不我們參照《月球旅店》的文本構思來搞一個月球計劃？」
「那個工程量也太大了吧，要真正建起來的話一次發射恐怕不行。」
「乾脆去木衛二唄，要搞個深空任務就搞個遠點的（滑稽）」
……
七嘴八舌一番討論過後我們最後決定去火星，一來考慮到前往火星在路上花費的時間相對較短（不到一年就可以到達，而相比之下去一次木星則需要數年之久），二來月球計劃我國已有嫦娥工程珠玉在前，而火星計劃在當時則沒有已發射的項目，再者火星任務可參考的案例比較多。
在真正的火星任務規劃中，這個階段被稱為規劃階段，主要進行的都是概念性研究，包括提出一些基本設想、概念設計等等。一個太空任務完整生命周期由多個階段構成，包括規劃階段、預研階段(Phase 0)、方案論證階段(Phase A)、方案設計階段(Phase B)、初樣設計階段(Phase C)、正樣設計階段(Phase D)、發射階段(Phase E)和應用階段(Phase F)。我們平時在電視上或網絡直播上看見的火箭發射過程只是發射階段的一部分，而前面眾多階段花掉的時間短則幾年，多則有十幾年乃至幾十年，這些都是參與論證的科學家和參與設計製造的工程師們的付出。而應用階段同樣也會持續數年時間，這背後同樣充滿了負責運行維護的工程師和負責數據處理的科學家們的汗水。
所以一個火星任務，不僅僅是發射那麼簡單。
想好了我們要去火星以後，接下來要確定一下任務的科學目標和任務概念，簡單來說就是我們去火星要幹什麼以及我們大概怎麼實現我們要幹的事情。
對於天問一號來說，它的科學目標是：
1. 繪製火星形態和地質結構圖
2. 調查火星表面的土壤特徵和水冰分布
3. 分析火星表面的物質組成
4. 測量電離層和火星地表氣候及環境特徵
5. 探索火星的物理場（電磁場、引力場）和內部結構[1]。
至於任務概念，我們可以把這個任務描述成一個由巡視器和軌道器執行探測任務的，單次發射入軌，依靠霍曼轉移到達火星進行探測的空間任務。
天問一號火星車著陸想像圖（圖源網絡）
照這個思路來的話，我們這個火星任務也需要先確定科學目標，就是我們去火星探測什麼。
「這個事情其實挺難搞的。」小陳同學發話了。
「怎麼說？」
「因為鷹醬已經去過火星不少回了，要說探測目標上要做出什麼花來的話，比如地質、大氣等等，已經很難再去找新目標了，雖然我們自己探測的相關數據還是空白。」
「科學目標得保證一定的創新性啊，不然項目過不了審批拿不到錢也是白搭，有沒有什麼別的可以創新的地方？」
「那要不我們也搞個登陸的，但是在登陸地點上做點文章。」
現在已有的火星登陸任務的著陸地點和我們小組規劃的著陸區域，可見別的任務大都選在了平原區域，可能是一種為了著陸安全的保險考慮，但我們選在了水手谷附近，是一個山地+高原類型的地形。這個地方著陸存在一定風險，但是山地往往保留了一些平原沒有的地質演化信息，因此說不定會有新發現。（圖源：小陳同學）
經過多輪討論之後（實際上這時候已經過了兩三個星期了），我們小組基本確定了下面三個科學目標：
1. 火星大氣及地質演化探測（主要目標）
2. 地火空間環境探測（從屬目標）
3. 無人機在火星的飛行可行性驗證（從屬目標）
其中第一個是我們去火星主要幹的事情，敲敲石頭看看大氣做點分析，第二個是給將來可能的火星任務探路用的，就像地球上新航線的開闢總需要有人試航，先搞清楚一路上的海況或者大氣條件一樣，第三個是考慮到著陸地點是個山地地形，空中單位行動起來會比火星車方便些，雖然在NASA即將發射的毅力號火星車上也搭載有無人機，但畢竟國內還沒人做過這個事嘛。其實原來最原始的版本還有一個去火衛一探測的目標，但是發現不順路，去一次得額外費老大勁了，就只好作罷。
由此任務概念也好確定了，要實現這些目標的話至少需要軌道器、著陸器、火星車、無人機幾樣東西，因此這可能也是和天問一號類似的一個多器組合體任務。
後來上課的時候我把我們小組的科學目標和任務概述交給老師審閱，老師給完修改意見之後，笑了笑，補了一句：「你們這看起來像是個『旗艦級任務』啊。」經驗豐富的老師應該是發現了什麼，然而我還傻傻地蒙在鼓裡，完全沒有意識到「旗艦級任務」這幾個字對我們幾個學生來說意味著多少不可預知的難題。
未完待續！
（本系列原創文章共4篇，每周三更新連載）
參考資料：
[1] JIA Yingzhuo,FAN Yu,ZOU Yongliao.Scientific Objectives and Payloads of Chinese First Mars Exploration[J].空間科學學報,2018,38(05):650-655
『天文溼刻』 牧夫出品
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