揭秘天問一號的火星之旅

7個月，這是一趟漫長又艱難的旅程。

人類對火星的探測起步於20世紀60年代，目前已實施40餘次探測任務，但只成功20餘次，成功率約50%。

熒惑，這是中國古人對這顆紅色星球的稱呼。「熒」代指火星由於土壤富含氧化鐵而發出的紅光；「惑」則出於古人對火星運行缺乏規律而感到的困惑，由於軌道和公轉速度的差別，從地面上來看，火星運行時快時慢時明時暗，有時逆行也有時順行，令人捉摸不定。

是的，正如這個名字一樣，去往火星的漫漫長途也充滿不確定性。在接下來的7個月裡，天問一號需要迎難而上。

「發射成功只是第一步，後面的路還很漫長。」國家航天局探月與航天工程中心深空探測工程總體部部長耿言說。

天問一號探測器。中國空間技術研究院供圖

火星探測難在哪兒

1962年，人類邁出火星探測的第一步。這一年，蘇聯發射「火星1A號」探測器，但在飛往火星的途中與地面失去聯繫，最終失敗。此後，蘇聯的「火星1號」與美國的「水手3號」等火星探測器探測任務也宣告失敗。

直到三年後，美國的「水手4號」首次完成火星飛越，成為首例成功探測火星的人造衛星。此後，包括「水手6號」在內的多顆探測器順利完成任務。尤其是1971年發射的蘇聯「火星3號」探測器，成功登陸火星。20世紀90年代以後，火星探測更加頻繁，「火星快車」「勇氣號」「機遇號」「好奇號」等多顆探測器飛向火星。然而，火星探測的成功率到目前只有50%左右。

火星探測到底難在哪兒？

首先是距離遠。火星距離地球最遠時有4億公裡，最近時大約5500萬公裡。作為對比，月球離地球最近時36萬公裡，最遠時40萬公裡。也就是說，即使火星離我們最近時，也要比月球遠一百多倍。人類探測器從地球飛到火星，大約需要7個月的時間。

由於距離遙遠，地球與火星之間的信號傳輸會有長時間的時延。「當火星離我們最遠時，從地球發一個指令，要20多分鐘才能到達火星。即使在距離最近時也要幾分鐘才能到，遠比從地球上發指令到月球上的時間長得多。」國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑解釋，時延比較長，給火星探測的測控通信帶來很大挑戰。探測器在火星著陸時間僅7分鐘左右，由於時延，無法實時操控，探測器必須自主完成著陸。

其次是發射窗口小，機會少。劉彤傑說，要讓太空飛行器飛4億公裡，「人類現在還沒有能力做到，而且也沒有必要」，我們可以等火星距離地球較近的時候發射探測器。但受天體運行規律的影響，這樣的發射機會很少，大約每隔26個月才有一次，每次有一個月左右的發射窗口，「比探測月球的窗口要小得多，嚴苛得多」。

再次是著陸難度大。火星上存在稀薄的大氣，探測器著陸時必須穿過大氣，這個過程會產生幾千攝氏度的高溫。著陸時既需要隔熱罩，也需要配備降落傘進一步減速。而且，隨著探測器往下降，其推力、方向會發生變化。「不像在月球上探測，不用降落傘，用反推發動機就可以，在火星上著陸需要用變推力發動機。」劉彤傑說，減速下降和著陸火星的過程，被稱為「黑色7分鐘」。

此外，前往火星還需要推力更強的運載火箭。天問一號任務是我國長徵五號系列運載火箭首次應用性發射，將探測器直接送入地火轉移軌道。「以前我們探月，最遠是到地月軌道，處於地球的引力圈。現在要到火星，不僅有地球，還有太陽和火星的引力影響，因此這次火箭系統有很大的變化。」首次火星探測任務工程副總指揮、國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠解釋。

一次實現「繞、著、巡」，難上加難

火星探測很難，要一次實現「環繞、著陸、巡視探測」（以下簡稱「繞、著、巡」），難上加難。

很多人對我國探月工程「繞」「落」「回」三步走戰略很熟悉，這些目標是通過實施多次探月任務而分步驟實現的。面對難度更高的火星探測，我們卻要多步並作一步走。

據國家航天局介紹，我國首次火星探測任務天問一號探測器由著陸巡視器（進入艙和火星車）和環繞器組成。此次任務要一次實現「繞、著、巡」三步走，即對整個火星進行全球觀測、成功著陸火星，以及火星車進行巡視探測。目前，國際上只有美國實現了火星環繞、著陸、巡視探測，但不是一次實現，而是分幾次任務實現的。

據介紹，天問一號飛行過程包括發射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等六個階段。探測器發射後，將被火箭送入地火轉移軌道。器箭分離後，探測器的太陽翼和定向天線將相繼展開，在測控系統支持下朝火星飛去，約7個月抵達火星。

在這個漫長的旅途中，探測器將進行深空機動和中途修正，即不斷調整飛行方向。「因為發射的時候方向可能對得不是非常準，飛行的過程中會調整方向，更準確地飛向火星，然後和火星交匯，由火星的重力來捕獲它。」劉彤傑解釋。

探測器進入環火軌道並經過制動後，要進行2至3個月的環繞飛行，然後擇機進入火星。在著陸前，會在著陸區上空對著陸區開展探測。接著，探測器擇機實施降軌機動，著陸巡視器與環繞器分離。環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、著陸緩衝等動作，著陸於火星表面。

著陸後，火星車與著陸平臺解鎖分離。火星車駛離著陸平臺，開始巡視探測。著陸巡視器安全著陸後，環繞器進入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學探測。火星車完成探測任務後，環繞器進入使命軌道，開展火星全球遙感探測，兼顧火星車擴展任務中繼通信。

火星距離遙遠，為了確保探測數據能有效傳回地球，我國在為探月工程而建的測控站之外，又新建了3臺測控站。「這樣可以4臺聯網天線組陣，測控能力更強，能夠實現火星距地球最遠4億公裡時的測控通信。」劉彤傑說，這在測控技術上是很大的突破。

上面每一個環節，都不能發生絲毫錯誤。「如果天問一號探測器能順利在火星表面著陸，我們將是國際上第一個通過一次發射實施火星探測『繞、著、巡』的國家。」劉彤傑坦言，難度非常大，但也有信心。他認為，通過探月工程的實施，我國已具備了一步實現「繞、著、巡」的能力。

「跳一跳，夠得著。」耿言如此形容天問一號任務的難度。

多種探測，爭取對火星建立全面而基礎的認識

就像人類歷次火星探測一樣，在去往火星的漫漫旅途中，天問一號也將接受各種考驗。不過，好奇的人們已經對天問一號未來在火星上的工作充滿遐想和期待。

半個多世紀以來，儘管任務艱難，但人類對火星的探測不曾卻步，而且取得了豐富的成果。發現火星曾經有水，甚至現在還存在水的若干證據，極大激發了人們在火星尋找生命的熱情，也成為當前國際深空探測的熱點。

「雖然美國、俄羅斯等國家已經對火星進行了很多探測，但人類對火星的認識還不是很深入和全面。因此，我們根據國外的研究情況，結合中國對火星的認識，專門選取對火星的大氣、氣象、地質等方面進行探測，並配備相應的科學載荷。」劉繼忠介紹。

天問一號的環繞器和火星車均可開展探測，環繞器攜帶7臺科學儀器，包括高解析度相機、礦物光譜分析儀、磁強計、次表層雷達等；火星車攜帶6臺儀器，包括多光譜相機、表面成分探測儀、氣象測量儀等。通過這些科學儀器，可實現對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等方面的科學探測，有利於建立起對火星全面而基礎的認識。

此外，為保護火星，避免把地球的微生物帶上火星，天問一號探測器採取了潔淨化處理。「比如探測器在總裝廠房總裝時，工作人員都要穿防護服，防止微生物沾上探測器。」劉彤傑告訴記者，此次任務還成立了行星保護領導小組，負責相關工作。

對火星的探測和研究不僅局限於火星本身，還包括火星與太陽系的演化，以及對地球的認識。「我們雖然在地球上，但僅僅在地球上去認識地球肯定是不夠的。」劉繼忠說。

當然，這一切的前提是建立在天問一號能順利抵達火星的基礎上。此刻，我們只能等待。等待7個月後，天問一號從火星給我們帶來問候。

（光明日報記者 陳海波 項目團隊：光明日報記者 陳海波、王斯敏）

來源：光明日報