天問一號火星探測器的點點滴滴

根據目前的消息，「天問一號」火星探測器將在7月23日於海南文昌發射。這次火星探測任務一旦成功，中國將是人類歷史是第二個成功將探測器降落在火星表面的國家。1976年美國的「海盜號」火星探測器是人類第一次將探測器登陸火星表面。當然了，蘇聯也在1971年聲稱成功把探測器降落在火星表面，不過除了蘇聯以外，別的國家一般公認此次著陸是失敗的。

今年是火星年，7月份有三個火星探測器向火星發射。7月20日是阿聯的「希望號」火星探測器已經順利發射，進入地火轉移軌道。而其後是中國的「天問一號」，美國的「毅力號」火星車將在月底發射。之所以都在7月份扎堆發射，這是由於火星公轉軌道周期和地球不一樣，因此每26個月會迎來一次發射窗口，在這個時間段發射火星探測器需要的燃料消耗較少，或者說，同樣的火箭可以發射更重的火星探測器。今年7月份就是一個很好的機會，所以現在能看到三個火星探測器都急著趕著在本月發射的盛況。

天問一號發射後，將進入地火轉移軌道，地火轉移時間為203天，火星探測器將在路上飛行6個月零19天，在2021年2月11日（2021年大年三十）與火星交會。

為了保證對天問一號火星探測器的測控任務，西安測控中心喀什測控站的全新深空天線組陣，將在天問一號任務期間投入使用。

中科院國家天文臺在天津武清站新建70米高性能接收天線(GRAS-4)，同時還有密雲的50米天線和40米天線，以及昆明的40米天線，4個天線一起接受數據，然後進行信號合成，才能完成火星探測數據的接收任務。

目前中國在海外例如阿根廷也建立了測控站，和國內的測控站一起能保障天問一號的火星探測任務要求。不過綜合中國整個火星任務的測控要求，在火星捕獲制動的過程中，在近火點前約7分鐘測控信號會出現遮擋，持續約41分鐘。

阿根廷測控站

當然了，考慮到火星捕獲制動時候地火距離已經有1.95億公裡，單程無線電信號傳輸時間就要10.8分鐘，整個過程地面根本無法對天問一號進行實時控制，天問一號只能依賴自己的計算機控制3000牛推力的機動發動機，點火約14分鐘，全自主完成。發動機點火時間是關鍵，點火時間過長將導致探測器減速過多，撞擊火星，而時間過短速度太大，則無法被火星引力捕獲，飛離火星。

天問一號由環繞器和著陸巡視器組成，總重5噸左右。進入火星軌道後，天問一號將環繞火星飛行，同時用環繞器上的攝像頭觀測火星表面，評估降落區域的環境，一旦時機合適，預計在2021年4月23日，將釋放1285公斤的著陸巡視器，降落在火星表面，然後重達240公斤的火星車（巡視器）將在火星表面執行巡視任務。降落時間預計在2021年4月23日（中國航天日前夜）。

火星有大氣，著陸器要降落在火星表面必須考慮大氣摩擦帶來的熱量，因此必須有熱護盾。而火星大氣又十分稀薄，大氣帶來的減速效果不突出，因此需要在2馬赫的速度就打開降落傘進行減速。著陸方式的選擇，也是對探測器登陸火星的挑戰。

4月23日，天問一號開始火星著陸的時候，地球和火星之間的距離差不多2.95億公裡，無線電信號單程需要16.5分多鐘，因此著陸器必須依賴自身的計算機完成全部的導航、落點判斷和著陸過程。進入火星大氣層前5個小時，天問一號將開始降低軌道，環繞器和著陸巡視器分離。著陸巡視器進入大氣層後，著陸分四個階段：

300秒的氣動減速階段，依靠火星的空氣阻力，將速度從每秒4.8公裡減速到每秒460米，高度則從125公裡降落到4公裡左右。

然後就是拋掉球錐防熱大底和球錐背罩，打開降落傘，依靠降落傘，將著陸器速度降低到每秒95米，整個過程大約90秒，高度降低到1.5公裡。

下一個階段是動力減速段，大約90秒鐘，著陸器點燃7500牛的下降段發動機，使用雷射雷達和微波雷達對高度和速度進行確認，將速度降低到每秒3.6米，高度降低到100米時候，進入著陸緩衝階段。

著陸器在100米高度懸停，雷射3D雷達掃描地形地貌，避開地面障礙物，自主著陸。最後這個懸停避障過程與嫦娥4號在月球上自動著陸過程類似。技術上已經經過驗證。著陸瞬間，最後一點下降速度帶來的衝擊力，要靠四條著陸腿裡的緩衝吸能材料緩衝掉，保證探測器不發生側翻，平穩著陸在火星表面。

在地面的懸停避障實驗裝置

天問一號在火星的登陸1號地點著陸點在克裡斯平原，這裡是美國的海盜一號和探路者的著陸點附近。有理論認為克裡斯平原在火星的赫斯伯利亞紀或早期亞馬遜紀是湖或海，因為河谷都從較高的高原走向克裡斯平原或相等高度區域，有些地表特徵甚至顯示了火星古代的海岸線。而克裡斯平原往火星北方大平原開口，因此克裡斯平原古代可能是一個大型海灣。二號地區是烏託邦平原，這裡也是當年美國的海盜2號登陸火星的地點。烏託邦平原地勢平坦，當然也有一些小的撞擊坑、巨石之類障礙物，不過天問一號避開這些障礙物不成問題。烏託邦平原歷史上曾經被也是被洪水所淹沒，因此在這裡著陸可以通過探測火星土壤下面結構來了解火星的地質歷史。

天問一號的兩個備選降落點

天問一號的巡視器，也就是我們說的火星車，重量為240公斤，最大速度每小時200米，導航速度時速40米，越障高度30釐米，最大爬坡角度30度。採用蓄電池和太陽能電池供應能源。在火星車頂部，還有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然後利用一種叫作正十乙烷的物質儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質吸熱融化，到了晚上，溫度下降，這種物質在凝固的過程中，釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。

火星車設計工作時間為90個火星日。火星車既可以與地球直接通信，也可以與環繞器通信。由於距離過於遙遠，火星車與地球之間的通信碼速率只有16bps，主要用於傳輸工程遙測判斷狀態。而火星車與環繞器的數據傳輸有兩個波段，X波段的碼速率最高有4Mbps，UHF波段的碼速率最高2Mbps。火星車所獲取的資料，將採取這種形式發送到環繞器上。

最後，羅列一下公開資料上的天問一號科學載荷：

環繞器：中解析度相機，高解析度相機（最高解析度0.5米），環繞器表層探測雷達（探測火星表面土壤100米，極區冰層1000米深度的地下結構），火星次表層探測雷達，火星礦物光譜分析儀，火星磁強計，火星離子與中性粒子分析儀，火星能量粒子分析儀。

這些儀器的作用是用來探測火星地形地貌，尋找表層和地下水冰，探測火星表面物質成分、土壤類型分布和結構，以及火星大氣電離層分析。

火星車：地形相機，多光譜相機，火星車次表層探測雷達，火星表面成分探測儀，火星表面磁場探測儀，火星氣象測量儀。

很明顯，除了提供巡視區地形地貌信息外，這些儀器還用來探測巡視區的土壤結構、表面結構、礦物和巖石類型，以及水冰探查，大氣物理特徵和表面環境探測。