大國之間的科技角逐？凝聚著無數科研心血的「天問一號」不負眾望

極客網·極客觀察7月29日（文/慕遠|編輯/水木）大鵬一日同風起，扶搖直上九萬裡。

長徵御天問，九州探穹宇！7月23日12時41分，中國海南文昌航天發射場，長徵五號遙四運載火箭搭載著「天問一號」火星探測器點火升空，經歷半個多小時後，探測器與火箭在距離地面600多公裡的太空中分離，成功進入地火轉移軌道。此後，天問一號還要經過一段漫長的太空遨遊，直至火星著陸後成功完成我國首次自主探索火星的任務。

天問一號如何探測火星？

天問一號火星探測器分為環繞器與著陸巡視器兩部分，而著陸巡視器又由著陸平臺和火星車組成，天問一號的總重量接近5噸，是我國迄今為止發射的最重的深空探測器。雖然「胖五」長徵號火箭很給力，但天問一號除了火箭發射外，還要經歷地火轉移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信及科學探測五個階段，「跋涉」全程超過了4億公裡，期間還會面臨諸多考驗。

天問一號搭載有13個有效載荷，其中火星車攜帶6臺科學儀器、環繞器攜帶7臺，這些儀器包括太陽能電池板、全景相機、多光譜相機、探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀等，天問一號火星探測器擔負的五大任務目標是：火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星表面物質組成、火星形貌與地質構造特徵、火星土壤特徵與水冰分布、火星物理場與內部結構。

長徵五號運載火箭把天問一號送入地火轉移軌道後，大概明年2月初到達火星，天空一號探測器依託於地面測控系統的支持，會經過4-5次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，逐漸飛近火星，進入火星捕獲段。然後探測器會在停泊軌道運行約75天，期間，會開展數次預著陸區成像探測，得到的數據將傳送到地面，探測到滿足的著陸條件後，探測器會在適當時機進入火星進入軌道，作分離環繞器與著陸巡視器的最後準備。

分離結束後，著陸巡視器進行火星大氣進入段的飛行，著陸平臺載著火星車進入大氣，減速、下降、落在火星表面上，火星車駛離著陸平臺，開展為期約90天的巡視探測。

環繞器與著陸巡視器分離後，返回到停泊軌道，在停泊軌道上，環繞器將再次進行軌道調整，進入中繼軌道，開始執行與著陸巡視器為期3個月的中繼通信任務，擔任地球與著陸巡視器之間溝通的橋梁。完成中繼通信任務後，環繞器在近火點進行制動降軌，進入科學探測軌道，並在該軌道上繼續運行1個火星年，執行火星全球遙感探測任務。

按照計劃，」天問一號「倘若通過一次發射就成功實現火星的環繞、著陸和巡視任務，中國將成為除美國之外，世界上第二個獨立掌握此技術的國家，不得不提的是，雖然我國此次的火星探測任務經過了反覆的科學論證和複雜的技術考量，但探索途中仍然需要面對不少風險。

擔起重任的「天問一號」 勇闖難關

截止目前，有公開數據統計表明：人類探火的完全成功率約為42%，概率比難度極大的探月任務53%的成功率還要低。

火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高的環節之一，之所以說風險高，不僅因為火星捕獲窗口的唯一性，還與探測器採取制動的時間早晚有關，制動偏早，探測器因降速過低可能會墜入大氣層撞擊火星，制動過晚，探測器就不能被火星引力捕獲，從而飛到更遠的深空，很難再回到火星。

所以探測器在近火捕獲前，需要由地面對其進行精確的無線電測軌，認真分析從探測器上光學自主導航儀器中獲得的導航信息，得到探測器和火星的精確位置後，再在恰當時機進行制動，確保探測器可以成功進入環火軌道，還有，除了靠地面合作外，火星探測器還應具備自主應對突發故障的能力，進一步為環火軌道捕獲過程保駕護航。

在整個任務中，「天問一號」的著陸器登陸火星表面是最讓人期待的環節之一，同樣也是難度最高的任務之一。要想成功著陸，著陸器要穿越火星稀薄的大氣層，將與火星的相對速度從每秒4.8公裡降至零。雖然該過程用時只有七八分鐘，可因為電磁信號被完全屏蔽，整個過程都要靠著陸器自主控制完成，著陸器需要根據速度、加速度、與火星表面的距離等情況，做出一系列自主正確的判斷。

上文提到，天問一號將在明年2月初到達火星， 那時與地球間的距離將達到1.9億公裡，更遠的距離造成更大的信號衰減，兩邊的信號接收都會更加困難，還會產生10分鐘左右的延時，地面無法實時快速地給探測器的動作發出指令，測控通信系統面臨著巨大的考驗。

不過令人感到鼓舞的是，中國早前已基本建成了兼具S/X/Ka多頻段測控能力，集測控、數傳和長基線幹涉測量等多種功能於一體的深空測控網，對深空太空飛行器的測控覆蓋率提高到了90%以上，綜合水平處於世界前列。此次「探火」任務，在探測器進入地火轉移軌道後，由佳木斯深空站、喀什深空站、阿根廷深空站（中國海外首個深空站）組成的中國深空測控網成功得到了探測器地火轉移段首個圈次的測控信息。

負責運行管理三大深空站的是西安衛星測控中心，此前它對三大深空站的對頻率綜合系統、多功能數字基帶、監視和控制系統設備軟硬體進行了非常科學細緻的優化升級，以便為執行探測任務提供更為穩定強大的測控保障。三大深空測控站點在各自測控弧段內會持續接收、記錄探測器遙測傳輸的數據，對探測器精確實施測軌和上行遙控。

「探火」很難 為什麼一定要去？

在太陽系八大行星中，火星與地球的「血緣關係」最為接近，兩者都形成於約45億年前，有著相似的自轉周期，火星的自轉周期為24小時39分鐘，它還和地球一樣有著四季更迭，兩者組成結構也大致相同，有核、幔、殼。以往探測資料表明，火星表面的土壤富含氧化鐵，而這種土壤的形成，是風與水雙重侵蝕作用產生的，據此可以推測，火星上應該存在過或者存在有大量的水和大氣，雖然尚未在火星上發現過真正的生命痕跡，但結論是火星確實有生命形成或存在的一些條件。此外，火星的表面溫度大約在零下133攝氏度到零上27攝氏度之間，還擁有高山、平原和峽谷等多種地形，種種現象促使人們生出了疑問和假想：火星是地球的過往，還是我們未來的歸宿？

縱使探測火星遠比探測月球複雜困難，我國還是義無反顧地借「天問一號」開啟了火星探測之旅，因為研究火星的環境變化可以對地球環境的保護帶來一定程度的指導意義，對太陽系起源及演化、甚至是生命起源及演化等重大科學問題也具有重要意義。