天問一號何以傲視全球？變推發動機火星懸停，一舉追平美國半世紀

2020年是中國航天由大變強的關鍵轉折年，長徵五號B遙一火箭首飛標誌著我國成功掌握20噸級太空飛行器發射能力，新一代載人飛船首飛標誌著我國在全球範圍內率先完成載人登月用新飛船首飛任務，北鬥三號衛星導航系統完成全球組網，完成上述三項任務的國家放眼全球僅有我們一家，但這並沒有完，因為今年的航天爆發才剛剛開始。

長徵五號遙四運載火箭點火升空

公元2020年7月23日12時41分，伴隨著巨大的轟鳴聲長徵五號遙四運載火箭搭載著天問一號飛船點火升空，此次發射是我國首個自主實施的火星探測任務，裡程碑意義堪比東方紅一號衛星、神舟五號載人飛船，同時也是長徵五號運載火箭第一次應用性發射。

第一次應用性發射的長徵五號剛一開局就碰上了高難度地火轉移軌道任務，地球火星每隔26個月會有一段為期半個月左右的發射時間窗口，為了縮短奔火旅程天問一號被安排在了一條短轉移軌道上，同時利用長徵五號氫氧二級的高比衝優勢，採用近地停泊軌道滑行至指定位置後二次點火直接將天問一號飛船送入地火轉移軌道的方案。



長徵五號氫氧二級助推天問一號直飛火星

這一高難度科目即便是美國航天也絲毫不敢馬虎，他們在執行此類發射任務時也曾多次推遲，其難度主要體現在零窗口發射以及火箭末級的長時間太空滑行。器箭成功分離的長徵五號遙四火箭用完勝戰績向國人交出了一份滿分答卷，接下來就要看天問一號的深空表現。

正在向火星進發的天問一號飛船旨在通過一次任務實現對火星的「繞、落、巡」三大探測目標，概括而言地外星球探測手段由易到難分別有飛掠探測、環繞探測、著陸探測、巡視探測、採樣返回、載人登陸，針對火星目前人類掌握的最高級探測手段是巡視探測。



美國好奇號火星車

縱觀人類火星探測歷史從來沒有一個國家能夠在第一次自主探測任務中一步實現繞、落、巡三大目標，再來看看我們的起點，以1964年美國成功實施水手4號火星飛掠探測為時間基準計算，在這一領域我們整整遲到了五十六年，截至目前成功實施火星巡視探測的國家放眼全球也只有美國一家。

那麼，中國航天究竟憑什麼敢於挑戰世界最高難度的火星探測科目？



天問一號是人類迄今最大噸位火星飛船

一步跨過美國近半個世紀火星探測歷程

天問一號的過人之處主要體現在工程能力與科學能力上，就工程能力而言，第一次自主探火即實現「繞、落、巡」已屬前無古人，同時憑藉重達5噸的發射質量成為人類有史以來飛向火星的最大噸位飛船，一舉刷新世界紀錄。

此時此刻大家應當更能體會為什麼航天圈子裡常說「火箭運力有多大，航天舞臺就有多大。」，如果沒有長徵五號強悍的高軌運力加持，那麼我們在火星探測領域還要再摸索更長時間。



長徵五號強悍的高軌運力得益於氫氧二級

在此之前人類最大噸位火星飛船是蘇聯的火星2號與火星3號，其發射質量是4.65噸，而美國好奇號、毅力號兩輛火星車發射質量皆不足4噸。

天問一號的火星登陸能力更是做到了極致，就在飛船發射前夕著陸巡視器等比例模型公開亮相，據相關人員介紹著陸巡視器重量總和是1300公斤，其中火星車重240公斤，這一重量已經是世界第二，既然是第二為何說是做到了極致呢？



天問一號著陸巡視器總重1.3噸

這還得從火星登陸方式上來看，美國累計進行了7次成功登陸，其中使用動力下降+著陸腿緩衝軟著陸的飛船最大質量只有0.5噸左右，包括索傑納號、勇氣號、機遇號三輛火星車在內全部使用氣囊緩衝著陸器，最大質量的好奇號使用的是多發動機組合的天空起重機吊籃式著陸，而我國天問一號著陸巡視器1.3噸的動力下降+著陸腿緩衝軟著陸質量遠高於美國同類型著陸任務。



美國動力下降+著陸腿登陸質量僅0.5噸

天問一號火星車的工程能力也不容小覷，該車升起桅杆的總高度1.85米，採用箱板式車體，搭載的科學載荷敏感部件全部布置在箱體內以達到保護功效，同時車身應用主動懸架技術，車體可以根據道路情況進行升降，在傾斜坡度路面可降低底盤增強行駛穩定性，遭遇亂石複雜路況可抬高車體，有利於提高危險路段的脫困能力，而美國火星車全部基於被動懸架設計，危險路段脫困能力弱。

基於主動懸架技術天問一號火星車在直線行駛、原地轉向、行進間轉向三大基礎行駛功能基礎上又拓展了蟹行、蠕動功能，進一步提高危險路段機動脫困能力，而這兩大性能又是美國同行所沒有的。

在行駛速度上天問一號火星車也已經與最先進的好奇號核動力火星車旗鼓相當，達到200米/時，優於勇氣號與機遇號的180米/時。



我國火星車機動能力優於勇氣號與機遇號

繞、落、巡火星探測任務中的「巡」代表著當今世界火星探測領域裡的最高難度科目，天問一號火星車優於勇氣號與機遇號的巡視工程能力就是一步跨過美國近半世紀探火歷程的最有力證據。



機遇號任務時美國火星探測史已有半世紀

科學探測任務多也是天問一號之所以這麼重的原因之一，它一共搭載了13個科學載荷，其中環繞器搭載有中解析度相機、高解析度相機、次表層探測雷達、礦物光譜分析儀、磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀，共計7個科學載荷。火星車則搭載有地形相機、多光譜相機、火星車次表層雷達、火星表面分析儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀，共計6個科學載荷。



天問一號搭載的高解析度相機

對於第一次大家通常習慣了「突破有無」、「零突破」這種說辭，但天問一號絕不僅僅是突破有無這麼簡單，而是直接問鼎世界巔峰。

13個科學載荷之一由中科院長春光機所研製的火星高解析度相機解析度最高可達0.5米，這一指標超過了美國「火星全球勘探者號」、歐空局「火星快車號」，與最先進的美國「火星偵查軌道號」同居世界領先水平，至於六年前印度曼加裡安號繞火衛星引以為傲的高分相機在天問一號環繞器面前只有被碾壓的份。



火星高分相機在環繞器上的安裝位置

按照既定計劃天問一號將在火星烏託邦平原地區著陸，但我國並沒有掌握一手的火星地形地貌資料，只能從公開渠道獲得並不完整的部分資料數據。天問一號對此採用的策略是，在抵達火星環繞軌道後先繞飛兩個月，在此期間通過搭載於環繞器上的火星高分相機對著陸區進行高精度成像探測，爾後實施著陸行動。

天問一號不論是繞落巡火星的工程能力，還是13個載荷的科學探測能力都無一例外直接瞄準世界最先進水平。



天問一號繞火星運行軌道

沒有誰可以隨隨便便成功，嫦娥探月奠基功不可沒

前文提到天問一號著陸巡視器有世界領先的1.3噸動力下降+著陸腿緩衝著陸能力，為什麼它可以這麼強悍？



天問一號著陸器7500N變推力發動機

因為大力出奇蹟，著陸器使用的YF-36型7500N變推力發動機就是基於嫦娥三號/四號使用的7500N變推力發動機針對火星環境升級而來的大噴管改良型，與之對比美國火星登陸器使用的都是小推力發動機的並聯組合。



美國沒有配套的火星著陸大推力發動機

多發並聯組合存在先天設計風險，反推發動機數量增多意味著任何一臺發動機出現推力異常故障都將導致飛船的徹底傾覆，印度月船-2號高速撞擊月面的事實已經印證了這一點。



印度月船-2號高速撞擊月面

後來隨著勇氣號、機遇號火星車重量的水漲船高，美國航天專家發現原有著陸模式無法適應新任務，所以才不得不選擇氣囊緩衝著陸。



氣囊緩衝著陸

氣囊緩衝著陸器同樣存在設計缺陷，其對載荷的抗衝擊要求更高，滾落火星表面的火星車將遭遇多次大衝擊翻滾，著陸質量也有很大限制，而且無法準確感知著陸區地形條件，難以實現精準著陸。基於上述劣勢更大發射質量的好奇號才選擇了天空起重機的著陸方式，而這一著陸機構同樣擺脫不了多發並聯的組合模式，風險問題依然存在。

我國7500N變推力發動機由航天科技六院負責抓總研製，是一種擠壓式流量定位雙調開環控制的變推力發動機，真空實際推力8250-1200N，真空比衝308秒，啟動次數30次以上，累計工作時間大於4000秒。它不僅能用於星球著陸任務，也能用於太空飛行器軌道控制、姿態控制，實則是一款身兼數職的多功能發動機。



嫦娥三號探測器

該型發動機最早始於嫦娥三號任務，當時要求在5年內完成變推力發動機研製任務，而通常一款全新型號的發動機需要十年。更重要的是這是我國第一款具備深度節流能力的變推力發動機，一無外援，二無經驗，面對重重困難研製團隊選擇了自主創新路線，他們從基礎理論研究入手確立發動機各分系統設計指標，在一次又一次的失敗中趟出了一條成功之路。

到嫦娥四號任務時由於月背地形更加崎嶇複雜，對變推力發動機提出了更高要求，六院變推力發動機團隊再次請纓，這次他們繼續增強了發動機工況可靠性，通過一系列改良升級發動機比衝由308秒提高至310秒，就是這兩秒提升使得嫦娥四號有了充足的動力餘量完成人類首次崎嶇複雜地形的地外星球登陸任務。



嫦娥4號7500N變推力發動機

更值得稱道的是，站在嫦娥三號、四號連續成功落月的基礎上，天問一號著陸器憑藉YF-36型7500N變推力發動機的強大推力也具備火星上空100米懸停及橫向機動能力，我們有理由相信這款金牌動力將在火星著陸任務中繼續發揮中流砥柱作用。

火星探測繼承嫦娥探月工程的遠不止變推力發動機，助力嫦娥四號完成月背複雜崎嶇地形登陸的機器視覺系統同樣將在天問一號動力下降段發揮關鍵作用。這套系統包括導航慣性測量單元、雷射測距、微波測距、光學成像、雷射三維成像等傳感器，它們將獲取的火星表面地形數據注入計算機系統形成機器視覺感知能力。



嫦娥四號機器視覺系統

火星距離地球最遠四億公裡，雙向通信延遲長達數十分鐘，不可能依靠地面測控實時幹預著陸行動，因此需要更強的自主能力，機器視覺系統的態勢感知能力就顯得更為重要。

除此之外，伴隨嫦娥探月工程實施建立起來的深空測控網目前已經覆蓋全球90%測控弧段，它分別依託喀什深空站、佳木斯深空站，以及部署在阿根廷的內烏肯深空測控站。為了進一步增強火星探測器數據上行下行傳輸能力，喀什深空站基於35米口徑射電天線新建了我國第一個深空天線陣，中科院國家天文臺天津武清站也新建了GRAS-4型70米口徑射電天線，就在天問一號發射前夕我國深空測控網再次實施了針對歐空局火星快車探測器的測控試驗，進一步驗證火星任務測控實力。



測控網對歐空局火星快車進行跟蹤試驗

我國深空測控網的視野早已超越火星，最遠已經可以觸達太陽系邊緣。2015年6月11日位於東北的佳木斯深空測控站使用66米口徑射電天線對47億公裡外飛越冥王星的新地平線號進行了都卜勒速度測量。2016年10月至2017年8月，佳木斯與喀什兩座深空測控站又對美國朱諾號木星探測器進行了開環測量試驗。

我國綜合測控水平已經躋身世界第一梯隊前列位置，測控能力顯著提升為月球、火星、小行星，乃至著眼整個太陽系的天問工程實施奠定了堅實基礎。



佳木斯深空站

你若盛開蝴蝶自來，迅速壯大的中國航天朋友圈

當長徵五號遙四運載火箭推出火箭垂直總裝廠房那一刻，人們發現火箭整流罩成了大花臉，上畫面滿了各式各樣的logo圖案。實際上早在嫦娥三號、四號任務時火箭整流罩就已經開始大花臉模式，只是緣於長徵五號5米級直徑箭體導致整流罩面積相較於以往要大得多，這些logo才顯得更加醒目。



包裹天問一號的長徵五號火箭整流罩

上面這些logo分別代表著參與天問一號火星探測任務的四家機構，分別是歐洲空間局、法國國家空間研究中心、阿根廷國家航天委員會、奧地利科技促進署。

歐空局和法國國家空間研究中心提供雷射誘導擊穿光譜儀，該裝置是天問一號火星車火星表面成分探測儀的組成部分，它能在7米範圍內對探測區域發射脈衝雷射，能以3萬度高溫將樣本等離子體化，爾後光譜儀針對等離子體進行分析研究。這是一種非接觸式探測手段，即便沒有機械臂挖取樣本也能對火星物質進行深度探查，美國好奇號火星車也裝備了同款雷射誘導擊穿光譜儀。



高能脈衝雷射發射藝術渲染圖

奧地利科技促進署則提供天問一號環繞器使用的磁力儀，阿根廷看起來像是來打醬油的，但實際上人家也是不可或缺，畢竟我國唯一境外深空測控站就是在他們地盤上蓋起來的。

有效利用國際夥伴的先進技術、資金加速航天工程發展是互惠互利的雙贏多贏模式，美國航天就非常善於此道。



歐空局與美國合建韋伯空間望遠鏡

由美國主導的國際空間站聚集了世界幾乎除中國以外的所有航天大國，耗資百億美元的韋伯空間望遠鏡歐空局是即出錢又出力。

如今NASA正在推進的阿爾忒彌斯載人登月計劃又在招兵買馬，前不久剛與日本籤約，俄羅斯也非常想進入阿爾忒彌斯計劃，但迫於資金與技術壓力，入夥資質正在逐漸喪失。

想要在世界航天界一呼百應首先要做到的就是打鐵還需自身硬，近年來隨著中國航天實力突出猛進，可提供的世界級航天平臺也是越來越多。



天宮空間站天和號核心艙

嫦娥四號代表人類首登月背，唯一價值屬性特別強烈，德國、瑞典等國相繼加盟。明年年初即將發射的天宮空間站更是極具誘惑，因為它完全可以與國際空間站比肩，實驗載荷機櫃數量十分可觀，同時基於時間後發優勢天宮在諸多領域可以實現反超引領。

去年我國載人航天辦公室與聯合國外空司聯合發布了第一批入選天宮空間站合作名單，想要參與天宮空間站的外國友人可以說是非常多，因為天宮有別於國際空間站的門戶有別，而是一種全新的管理體制，只要同意向中國共享成果的管理要求，並通過項目審核，即可免費上天，目前正在推進研製的嫦娥六號項目也提供了國際合作搭載空間。

我們正在成為規則制定者

針對美國阿爾忒彌斯載人登月計劃的招兵買馬，我們也針鋒相對地提出未來十年月球上將出現由中國主導多國聯合參與的月面科研站。

任何合作實力是第一位的，比如今年這個火星大年，歐空局與俄羅斯聯合研製的火星探測器由於減速傘故障被迫延期至兩年後，美國毅力號火星車也已經多次宣布推遲，眼瞅著剩餘發射窗口即將所剩無幾，可見能提供深空探測的工程平臺對於人類而言是多麼稀有寶貴。

向火星進發的天問一號展開對地通信天線

宇宙何其廣大，人類何其渺小，星辰大海的探索需要人類以百年、千年，甚至萬年為單位計算，持之以恆地去推進。回顧人類歷史最善於百年大計、千年大計的就是我們，比如歷經兩千多年建設的萬裡長城，還有歷經數千年歲月滄桑至今受用的京杭大運河、都江堰，如今天問一號飛船又在用實際行動告訴世界誰才是人類真正的燈塔。