「天問一號」搶先看：從地球到火星，任務全方位解讀

按預定計劃，7月23日，我國首次「獨立自主」實施的火星探測任務「天問一號」即將啟航，國內大量航天及天文愛好者都給予了高度關注。但官方目前仍未公開太多細節，本文將根據已公開的媒體新聞和學術成果，對此次任務進行一次詳細解讀。

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慘痛的歷史

此次任務強調「獨立自主」四個字，是因為我國的火星探測任務有著一段沉痛的歷史：早在2011年，我國首個火星探測器「螢火一號」就搭載俄羅斯「福布斯-土壤」號探測器，在哈薩克斯坦拜科努爾發射場由俄羅斯天頂號運載火箭發射升空，不幸由於俄方原因導致任務失敗，探測器墜入大氣層燒毀，殘骸落入太平洋。這段辛酸往事可參考《》一文。

中國首個火星探測器「螢火一號」概念圖

此次失利雖不是中國航天的原因造成，但其實也反映出當時中國航天在深空探測能力上的嚴重不足，而不得已陷入這種「寄人籬下、受制於人」的局面。

同時，印度也藉此機會奪取了亞洲火星探測的頭籌，終於在長期以來針對中國的、暗中較勁的「航天競賽」中，首次真正贏得一局。

當然，印度的火星探測在科學研究上的實質性意義並不大，更多的是側重於「政治目的」的實現。印度為確保奪取亞洲火星探測第一，而採取了大量縮減探測器有效載荷等手段，使得探測器能力十分有限。印度長期以來一直與中國航天暗中較勁，但實際上其整體能力遠遠弱於中國，以後筆者再另文詳述。

堅定獨立自主道路

「螢火一號」的失利，也使我國更加堅定了必須在深空探測領域走獨立自主發展道路的信念。隨後幾年，我國新一代運載火箭陸續服役、深空測控網絡建成並投入使用，中國終於開啟了深空探測的大門！

2016年8月，國務院工信部下屬國家航天局「探月與航天工程中心」宣布正式重啟火星探測任務，計劃於2020年獨立發射首顆火星探測器！

2020年4月24日，在第五個「中國航天日」上，國家航天局宣布：我國行星探測任務命名為「天問」系列，其首次任務命名為「天問一號」，後續任務依次編號；同時也公布了「攬星九天」的行星探測任務標識。

天問，源自屈原長詩《天問》，全篇向宇宙萬物發出了「九天之際，安放安屬」等170個靈魂拷問！

中國行星探測（Planet Exploration of China）任務標識

「天問一號」任務雖然起步晚，但起點高、難度大，直接瞄準當前世界最先進水平：在國際上首次通過一次發射即實現火星環繞、著陸、巡視探測。此次任務若成功，我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家！

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首先，讓我們通過「2、3、5、8、13」幾個關鍵數字，對「天問一號」任務進行整體的全貌概覽！

圍繞兩大科學問題

1. 火星是否存在過生命，或是否存在過適合生命的環境
2. 火星的演化、太陽系的起源與演化

火星山丘在太陽照射下的陰影，曾一度被誤傳為「火星人臉」

遠古的河床可能曾有孕育生命的機會

創世之柱：恆星系如何從一片塵埃與氣體中形成

生命和起源，人類的這兩大終極命題，將由我們中國人再次向宇宙發起「天問」！

實現三大工程目標

1. 突破火星探測工程關鍵技術
2. 實現火星環繞探測和巡視探測
3. 獲取火星探測科學數據

開展五大科學研究

1）研究火星形貌與地質構造特徵

• 探測火星全球地形地貌特徵
• 獲取典型地區的高精度形貌數據
• 開展火星地質構造成因和演化研究

環繞器在火星上空探查全貌

火星車在地表開展高精度詳細考察

2）研究火星表面土壤特徵與水冰分布

• 探測火星土壤種類、風化沉積特徵和全球分布
• 搜尋水冰信息
• 開展火星土壤剖面分層結構研究

鳳凰號在地表挖取土壤

火星極冠存在固態水

3）研究火星表面物質組成

• 識別火星表面巖石類型
• 探查火星表面次生礦物
• 開展表面礦物組成分析

好奇號在巖石表面探孔取樣

火星表面存在類似玄武巖的物質，帶有長石、輝石和橄欖石

4）研究火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵

• 探測火星空間環境及火星表面氣溫、氣壓、風場
• 開展火星的電離層結構和表面天氣季節性變化規律研究

火星全球表面大氣密度分布圖

火星自轉軸傾角約25°，與地球非常接近，必然存在季節變化

火星存在全球性的沙塵暴天氣

巨大的沙塵暴證明火星存在劇烈的大氣活動

5）研究火星物理場與內部結構

• 探測火星磁場特性
• 開展火星早期地質演化歷史研究
• 開展火星內部質量分布和重力場研究

地球的磁場保護生命免受太陽風和宇宙高能粒子的襲擊

火星已經幾乎沒有磁場，遭受太陽風高能粒子的無情衝刷

地球磁場由活躍的內核活動產生，而火星已是一顆「死星」，已無劇烈的內核活動

洞察號的主要使命即是探測火星內部活動

突破八項關鍵技術

1．火星環境不確定性分析及地面模擬驗證

模擬火星低重力，完成著陸器懸停避障地面試驗

採用探空火箭發射，在地球高空模擬火星稀薄大氣，完成降落傘開傘試驗

火星環境與地球大不一樣，很多技術無法進行真實環境下的試驗驗證（比如著陸器的空中懸停、降落傘的空中開傘下降等）。

2．軌道設計與總體指標優化

對最優軌道的仿真解算

火星探測任務約束條件和設計狀態複雜，運載能力、發射窗口、測控通信能力等總體指標與發射能量、近火制動能量、射向、航落區安全、中繼軌道、任務軌道、著陸時機、有效載荷工作模式、科學探測數據量等關鍵因素密切耦合，是典型的非線性、多目標問題。

3．自主管理與控制

由於地火距離遙遠，無法實時遙控，所以探測器在火星捕獲段、環繞段、進入段、下降段、著陸段，包括最後火星車的巡視，都要依靠其自主管理和控制。

「天問一號」火星車（巡視器）自主導航與控制分系統組成示意圖

4．火星進入氣動外形與防熱

雖然火星大氣稀薄，但高速飛行下仍對著陸器產生劇烈的氣動加熱

「天問一號」著陸器大底防熱材料

火星著陸器大底結構內層採用「碳纖維/氰酸酯樹脂蒙皮+蜂窩夾層」複合材料，外層採用輕質玻璃鋼蜂窩增強酚醛樹脂低密度防熱材料，兩者採用高溫環氧膠膜固化粘接。

5．火星降落傘

火星具有稀薄大氣，著陸需要用降落傘減速，但火星的大氣密度極低，並且需要在超音速條件下開傘，降落傘設計的約束條件與地球返回式衛星和載人航天工程採用的降落傘截然不同。火星降落傘從傘型、材料、包傘、彈傘、開傘等選擇，到與之相關的關鍵指標、參數確定，再到驗證方法等一系列設計要素，均要全新設計和驗證。

「天問一號」火星降落傘裝配狀態及工作流程

6．火星軟著陸及巡視的導航、制導與控制

「天問一號」精確定點著陸任務 自主GNC系統結構

探測器軟著陸火星的進入、下降、著陸過程地面無法實時幹預，著陸艙需要根據預先注入的指令，根據自主導航與控制 （Guidance Navigation and Control，GNC）系統自動工作（傳說中的恐怖七分鐘）。

機遇號/勇氣號 火星車漫遊，自主避障

由於信號時延大，且受中繼通信時段的限制，火星車如果全部依賴地面指令控制則效率極低，不具備可操作性；因此火星車必須實現自主導航。

7．火星車長期生存和移動

火星距離太陽遠且受大氣的影響，輻照強度約為月球表面的20%，沙塵天氣將進一步降低輻照，導致火星車的發電功率很低。此外，由於火星塵的影響，太陽電池發電量每日衰減，根據美國「勇氣號」（Spirit）的實測數據，日衰減率為0.1%～0.3%。這些因素都給火星車的能源供給帶來極大的挑戰。

機遇號設計壽命為90個火星日，但實際工作達15年，甚至在火星上完成了一場馬拉松長跑！天問一號火星車設計壽命同為90個火星日，能否像機遇號一樣有非凡的表現呢？讓我們拭目以待！

下圖請橫屏觀看。

機遇號的火星馬拉松

8．行星際測控通信

深空測控網絡示意圖

這是我國深空測控網首次實施最遠達4億公裡的測控通信，無線電信號衰減高達60dB，軌道測量誤差放大約1000倍，將面臨一場巨大考驗！

攜帶十三種有效載荷（探測儀器）

其中，環繞器配置7種儀器：

1．中解析度相機

2．高解析度相機

3．次表層探測雷達

4．火星礦物光譜分析儀

5．火星磁強計

6．火星離子與中性粒子分析儀

7．火星能量粒子分析儀

巡視器（火星車）配置6種儀器：

8．多光譜相機

9．次表層探測雷達

10．火星表面成分探測儀

11．火星表面磁場探測儀

12．火星氣象測量儀

13．地形相機

火星車攜帶的6種有效載荷

環繞器著眼於開展火星全球性、整體性和綜合性的詳查探測，建立火星總體性和全局性的科學認知。巡視器（火星車）專注於火星表面重點地區的高精度、高分辨的精細探測和就位分析。

各任務載荷與科學研究目標對應關係如下：

「天問一號」有效載荷與科學研究任務對應圖

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至此，我們對「天問一號」肩負的使命任務和科學意義有大致了解，下面就讓我來詳細了解整個任務的組成、方案及步驟！

「天問一號」任務由五大系統組成

1．工程總體和探測器

2．運載系統（長徵五號）

3．深空測控系統

4．發射場（海南文昌衛星發射場）

5．地面應用系統

運載系統：長徵五號，王者歸來

2020年7月17日，即將執行「天問一號」任務的長徵五號遙四火箭完成技術區的總裝綜測工作，垂直轉移至發射陣地，可謂已是「箭在弦上」。

已完成轉場運輸的長五遙四火箭

「天問一號」探測器總重達5噸，要將這5噸載荷送到火星，遍歷中國所有火箭，非長徵五號莫屬。

長徵五號總長約57m，捆綁4個助推器，起飛質量約878噸，採用二級半構型：

1. 助推器（所謂的「半級」）採用4個3.35m直徑模塊，每個模塊配置2臺推力120噸的YF-100液氧煤油發動機；
2. 芯一級採用5m直徑模塊，配置2臺推力50噸的YF-77氫氧發動機；
3. 芯二級直徑也是5m，配置2臺推力9噸的YF-75D氫氧發動機為主動力，具備兩次啟動能力；另外配置輔助動力，完成滑行段姿態控制、有效載荷分離前的末修與調姿。

長徵五號整體布局圖

這足足1000多噸的起飛推力，具備近地軌道（LEO）運載能力25噸（此為長五B型能力，不帶二級），地球同步轉移軌道（GTO）14噸、地月轉移軌道（TLI）8噸，地火轉移軌道（TMI）估計為5.5噸-6噸之間（此數據官方未公布，為筆者估算）。

長徵五號自2006年即開始工程研製，歷經十年磨礪，於2016年完成首飛，首飛過程雖說一波三折但總算完成任務。不料在2017年第二發發射時，遭遇重大失利，隨後陷入了長達兩年多的故障分析和歸零工作……最終查明故障原因是芯一級YF-77發動機的一個零件結構強壯性問題。

2019年，長徵五號強勢回歸

2019年12月27日，長徵五號終於圓滿完成第三發發射試驗，火箭總體方案、技術狀態、故障改進措施等得到全面驗證。

至此，長徵五號「鳳凰涅槃、王者歸來」，將本月下旬擔負起「天問一號」發射任務，這也是長徵五號首次實施應用性發射任務（前三發均是試驗衛星）。它將肩負起5億公裡的長途奔襲任務！

此次發射，根據筆者個人判斷，長徵五號的任務將分為兩步：

1. 使用助推器及芯一級，將火箭推至大約200km的低圓軌道
2. 使用芯二級，直接將探測器推至地球-火星霍曼轉移軌道

軌道設計：5億公裡長途奔襲

太陽系中快速運動的行星和衛星

在八大行星中，火星是在地球外側距離最近的一顆。在未來，人類若要走出走出太陽系，火星必將是我們的第一站。

地球和火星都圍繞太陽公轉，地球在內圈跑得快，轉一圈大約為365天；而火星在外圈跑的慢，大約為687天；把太陽系比作一個操場的話，地球在自己的跑道上，每隔大約780天就可以追上火星一次。

地球與火星每780天相遇一次

那麼，是不是地球和火星距離最近時發射火箭呢？答案是：不！

首先，即便在地球和火星距離最近的時候，也相距大約5500萬公裡！這是什麼概念？如果我們對著火星發射一道光，這道光也要在大約3分鐘後才能到達！

其次，火星在太陽系中快速運動（在太陽坐標系中，平均速度約為24 公裡/秒），等這道光抵達火星原先位置時，火星早已又往前運行了約4400公裡。這況且是宇宙最快的光速，更遑論人類如蝸牛蠕行般的太空飛行器。所以，必須採取更巧妙的方法，要提前預判、向火星未來的位置發射探測器！

2020.07.19，太陽系內側四顆類地行星的實時位置

最後，如果要按最近的直線距離飛向火星，那就是意味著全程沿著太陽引力的反方向前進、發動機必須保持全程工作，這將消耗無法想像的燃料。

因此，早在大約一個世紀前，德國物理學家瓦爾特·霍曼就提出了一種最節省燃料的星際旅行方法：利用地球本身的自轉和公轉速度，將探測器「甩」向火星，這種軌道稱為「霍曼轉移軌道」，如下圖所示。

一次成功的霍曼軌道轉移

因此，一次成功的霍曼軌道轉移，需要綜合考察地球、火星相對位置、運行速度、運載器和探測器推進能力等各方面因素。

地球-火星 霍曼轉移軌道位置示意圖

而在這些限制條件中，合適的發射時機被稱為「火星探測窗口」，每26個月出現一次，每次持續大約1-2個月時間（運載火箭能力越強、探測器空間變軌能力越強，則窗口時間越長）。

一旦錯過發射窗口，探測器將與火星擦肩而過，如下圖所示。

一次失敗的霍曼軌道轉移

除此之外，探測器還要在地球引力圈成功擺脫地球引力（逃離地球），在靠近火星時需要成功進入火星引力圈（被火星捕獲）。這兩端一旦出錯，也將導致飛行任務失敗！

如果探測器在霍曼轉移軌道的地球端有1米/秒的速度誤差或1公裡的位置誤差，飛到火星附近時都將產生10萬公裡的位置誤差。因此，火星探測器在飛往火星的途中，仍需進行多次軌道修正。

從探測器出發到抵達，直線距離將達到約4億公裡，而實際走過的路線將近5億公裡，時間將歷時7個月！

深空測控系統

深空測控系統是用於深空探測任務太空飛行器跟蹤測量、監視控制和信息交換的專用系統。簡單表達就是：探測器距離我們地球這麼遠，我們如何知道它的位置和速度？如何向它發送指令？如何接收它的回傳信息？

中國深空測控系統是伴隨著探月工程 「繞、落、 回」 三步走的戰略步伐逐步建設和發展起來的：

1. 探月一期，利用早期能力有限的航天測控網完成40萬公裡測控技術的突破；
2. 探月二期，建設了國內兩個深空測控站，初步具備了獨立實施深空探測任務測控支持的能力；
3. 探月三期，建設了位於南美洲的第3個深空測控站，從而形成了全球布局功能體系完備的深空測控網。

全球主要深空測控站布局

目前，在全球布局的中國深空測控網包括中國西北部喀什地區35m深空站、中國東北部佳木斯地區66m深空站和位於南美洲阿根廷西部內烏肯省薩帕拉地區的35m深空站。

2013年建成的喀什深空站，35m口徑天線

2013年建成的佳木斯深空站，66m口徑天線

2017年建成的阿根廷深空站，35m口徑天線

從整體布局而言，中國深空測控網並不是最優的地理布局，國內兩個深空站的經度差只有54°，喀什深空站和阿根廷深空站的經度差為146°，阿根廷站和佳木斯站的經度差則達到了160°，因此，中國深空測控網對深空太空飛行器的測控覆蓋率只能接近90%。（理想經度差為120°）

中國深空測控網覆蓋示意圖

但即便如此，這已是目前世界上功能完備、全球布局的三大深空測控網之一，完全具備火星探測器的深空測控能力！

探測器組成及各自任務

有了強大的運載火箭和深空測控網絡，我們的探測器就可以出發了。

探測器主要由環繞器和著陸巡視器兩部分組成。著陸巡視器又分為進入艙和火星車（巡視器）。

1. 環繞器任務壽命：1個火星年（約687地球日）
2. 環繞器質量：約3.7噸（根據公開數據反算，未證實）
3. 環繞器軌道：265km（近火點）×12000 km（遠火點），軌道傾角 86.9°
4. 著陸巡視器質量：1285kg，其中火星車240kg
5. 著陸區域：北緯5°——北緯30°之間機動選擇
6. 火星車任務壽命：90個火星日

環繞器/著陸巡視器組合體，火星車躲藏在白色保護殼內

著陸巡視器

火星車（巡視器）

探測器與運載火箭分離後，經過中途修正，在近火點附近實施制動，實現火星捕獲，進入周期約10個火星日的環火橢圓軌道，再擇機實施軌道機動，進入周期約2個火星日的橢圓停泊軌道。

抵達火星第一步：進入火星引力場，剎車減速，被火星捕獲成為其衛星

此階段，探測器將對著陸區進行預先探測（預計2-3個月），根據探測結果和自身軌道情況，視情況調整著陸點，擇機釋放著陸巡視器。

著陸器預計將在火星北部的烏託邦平原降落（網傳，未證實）

烏託邦平原為火星上最大的平原，直徑3200公裡，為1976年9月3日海盜2號在火星上的著陸與探索區域。

火星探測器歷次降落點

火星南部大多為高海拔山地，北部大多為低海拔平原；火星探測器一般均選擇在北部著陸，一方面是平原地形平坦，更重要的一方面是低海拔可以為探測器爭取更多的降落時間。

火星上沒有「海平面」概念，海拔高度為人工定義。

環繞器拋下著陸巡視器後，隨即進行軌道調整，進入中繼通信軌道，為火星車提供中繼通信鏈路，兼顧開展科學探測；運行90個火星日後，再次進行軌道調整，進入遙感使命軌道，開展科學探測，併兼顧火星車中繼通信。

著陸巡視器從環繞器上脫離後，將開始本次任務最精彩的部分——「恐怖七分鐘」。

恐怖七分鐘

正所謂「行百裡者半九十」，經過7個月5億公裡的艱苦跋涉後，「天問一號」任務將迎來最後7分鐘、也是最困難的部分！在人類現有的44次火星探測中，能夠安全度過這7分鐘的僅有9次。

由於此時地球與火星距離遙遠（約2.95億公裡），無線電傳輸需要約16.5分鐘時間，所以地面不但無法實時幹預這一過程，更令人無奈的是：當我們得到消息時，這已經是近20分鐘前發生的事、無法改變結果。

「天問一號」著陸器精確定點自主著陸全過程示意圖

「天問一號」探測器著陸火星分為氣動減速、傘系減速、動力減速、著陸緩衝4個階段。

在進入大氣層前，探測器的軌道速度大約為4.8公裡/秒，也就是意味著要通過這四個階段，將著陸巡視器的速度從4.8公裡/秒減到0！

1）氣動減速

探測器衝入火星大氣層，依靠氣動阻力減速

著陸巡視器分離後，逐漸下降至125公裡高度後開始調整姿態，衝入火星大氣層，此階段它將面臨以下考驗：

• 能否以正確的角度（11.2°±0.2°）衝入大氣，角度太大則氣動加熱過大，角度太小則可能重新被彈出大氣層。
• 能否承受住嚴重的氣動燒蝕，一旦燒穿防熱層，探測器將立刻解體！
• 能否在劇烈的氣動力擾動下穩定住姿態，一旦翻滾，探測器將立刻失控！
• 能否在預定時間內（290秒），將下降速度降至460米/秒，如果減速不夠充分，後續減速段將面臨巨大壓力！

2）傘系減速

這個階段，最大的難點是開傘時機的自主解算，開傘時機主要由高度、速度、動壓（由大氣密度和飛行速度決定）三個因素制約：

• 開傘高度不能太低，否則無法為後續著陸提供所需時間和空間；筆者估計開傘高度應在5-20km之間（設計指標要求不得低於4km）。
• 開傘動壓過低會導致降落傘不能膨脹展開；動壓過高則引起的峰值膨脹過載也可能會導致開傘失敗。
• 開傘速度過高，可能會引起氣動加熱和氣動過載，導致降落傘損壞；若開傘速度過小，則降落傘無法順利膨脹展開；理想的開傘速度應在馬赫數為2的時刻。
• 開傘後，在預定時間內（90秒），將下降速度進一步降低至95米/秒，同時高度下降至1.5km，並成功拋傘！
• 但願此階段火星風速不要太大（風速太大影響著陸精度，甚至導致失敗），在這一點上，我們除了祈禱、無能為力……

機遇號/勇氣號 降落傘在試驗過程中破損

火星降落傘：我太難了。

3）動力減速

當降落傘成功減速後並抵達大約1.5公裡高度時，反推發動機開始工作，其任務是：

• 拋掉背罩，露出著陸平臺和火星車；
• 在有限的燃料、時間（80秒內）和高度（100米以上）限制內，將探測器減速至3.6米/秒；
• 經受住火星大氣活動（風）的幹擾，全程保持探測器姿態穩定；
• 適時地實施側向機動飛行，提高著陸精度。

我國在著陸器動力減速技術上，經過嫦娥三號、四號的考驗，已經積累了必要的技術基礎，但是火星環境與月球不同，火星中存在大氣幹擾。

萬變不離其宗，各國地外著陸反推動力系統基本都沿用阿波羅時代的方案框架。

嫦娥三號/四號 推進系統基本構型

官方目前尚未公開著陸器反推裝置的具體參數，但筆者相信必然與嫦娥工程所採用的方案有繼承性。

7500N變推力發動機結構示意圖

嫦娥四號採用1臺7500N變推力發動機為主動力，提供制動、變軌、減速、懸停能力；16臺150N推力器和12臺10N推力器為輔助推力，主要負責姿態控制和少量軌道調整。

4）著陸緩衝

最後100米，離成功越來越近了！可是探測器還要經受住這些最後的考驗：

• 懸停、對地成像探測，自主判斷障礙物（深坑、巨石等）、地面水平度（傾斜度）
• 自主選擇合適的著陸點，並且橫向機動飛行至著陸點上方
• 變推力發動機不斷調整推力，緩慢下降（垂直速度不得超過3.6m/s，水平速度不得超過0.9m/s）
• 發動機精確關機（提前關機則下降速度過快，導致墜毀或損壞，延遲關機則可能導致翻車）
• 利用著陸腿吸收掉最後的一點下降動能，保證探測器不側翻、平穩著陸在火星表面！

根據「天問一號」火星車性能指標以及對預定著陸點的預估，最極端的情況下，地面坡度不得超過±15°，著陸平臺姿態傾角不得超過±6°，地面凸起或凹坑不得超過20釐米。

當以上所有驚心動魄的過程順利完成後，火星車經過約10個火星日的準備後，才可以從著陸平臺上緩慢駛離，代表中國踏入火星上的第一步！

今天（2020.07.20），阿聯的希望號已經提前啟程。

祈禱「天問一號」一切順利，天佑中華，再創中國航天輝煌！

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參考資料：

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