大國之間的科技角逐？凝聚著無數(shù)科研心血的“天問一號”不負(fù)眾望

極客網(wǎng)·極客觀察7月29日（文/慕遠(yuǎn)|編輯/水木）大鵬一日同風(fēng)起，扶搖直上九萬里。

長征御天問，九州探穹宇！7月23日12時41分，中國海南文昌航天發(fā)射場，長征五號遙四運(yùn)載火箭搭載著“天問一號”火星探測器點(diǎn)火升空，經(jīng)歷半個多小時后，探測器與火箭在距離地面600多公里的太空中分離，成功進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道。此后，天問一號還要經(jīng)過一段漫長的太空遨游，直至火星著陸后成功完成我國首次自主探索火星的任務(wù)。

天問一號如何探測火星？

天問一號火星探測器分為環(huán)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(fā)射的最重的深空探測器。雖然“胖五”長征號火箭很給力，但天問一號除了火箭發(fā)射外，還要經(jīng)歷地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信及科學(xué)探測五個階段，“跋涉”全程超過了4億公里，期間還會面臨諸多考驗(yàn)。

天問一號搭載有13個有效載荷，其中火星車攜帶6臺科學(xué)儀器、環(huán)繞器攜帶7臺，這些儀器包括太陽能電池板、全景相機(jī)、多光譜相機(jī)、探測雷達(dá)、磁場探測儀和氣象測量儀等，天問一號火星探測器擔(dān)負(fù)的五大任務(wù)目標(biāo)是：火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星表面物質(zhì)組成、火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星土壤特征與水冰分布、火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

長征五號運(yùn)載火箭把天問一號送入地火轉(zhuǎn)移軌道后，大概明年2月初到達(dá)火星，天空一號探測器依托于地面測控系統(tǒng)的支持，會經(jīng)過4-5次中途修正和1次深空機(jī)動修正飛行路徑，逐漸飛近火星，進(jìn)入火星捕獲段。然后探測器會在停泊軌道運(yùn)行約75天，期間，會開展數(shù)次預(yù)著陸區(qū)成像探測，得到的數(shù)據(jù)將傳送到地面，探測到滿足的著陸條件后，探測器會在適當(dāng)時機(jī)進(jìn)入火星進(jìn)入軌道，作分離環(huán)繞器與著陸巡視器的最后準(zhǔn)備。

分離結(jié)束后，著陸巡視器進(jìn)行火星大氣進(jìn)入段的飛行，著陸平臺載著火星車進(jìn)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(huán)繞器與著陸巡視器分離后，返回到停泊軌道，在停泊軌道上，環(huán)繞器將再次進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入中繼軌道，開始執(zhí)行與著陸巡視器為期3個月的中繼通信任務(wù)，擔(dān)任地球與著陸巡視器之間溝通的橋梁。完成中繼通信任務(wù)后，環(huán)繞器在近火點(diǎn)進(jìn)行制動降軌，進(jìn)入科學(xué)探測軌道，并在該軌道上繼續(xù)運(yùn)行1個火星年，執(zhí)行火星全球遙感探測任務(wù)。

按照計(jì)劃，”天問一號“倘若通過一次發(fā)射就成功實(shí)現(xiàn)火星的環(huán)繞、著陸和巡視任務(wù)，中國將成為除美國之外，世界上第二個獨(dú)立掌握此技術(shù)的國家，不得不提的是，雖然我國此次的火星探測任務(wù)經(jīng)過了反復(fù)的科學(xué)論證和復(fù)雜的技術(shù)考量，但探索途中仍然需要面對不少風(fēng)險。

擔(dān)起重任的“天問一號” 勇闖難關(guān)

截止目前，有公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(wù)53%的成功率還要低。

火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)之一，之所以說風(fēng)險高，不僅因?yàn)榛鹦遣东@窗口的唯一性，還與探測器采取制動的時間早晚有關(guān)，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(yuǎn)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(jìn)行精確的無線電測軌，認(rèn)真分析從探測器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器中獲得的導(dǎo)航信息，得到探測器和火星的精確位置后，再在恰當(dāng)時機(jī)進(jìn)行制動，確保探測器可以成功進(jìn)入環(huán)火軌道，還有，除了靠地面合作外，火星探測器還應(yīng)具備自主應(yīng)對突發(fā)故障的能力，進(jìn)一步為環(huán)火軌道捕獲過程保駕護(hù)航。

在整個任務(wù)中，“天問一號”的著陸器登陸火星表面是最讓人期待的環(huán)節(jié)之一，同樣也是難度最高的任務(wù)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公里降至零。雖然該過程用時只有七八分鐘，可因?yàn)殡姶判盘柋煌耆帘危麄€過程都要靠著陸器自主控制完成，著陸器需要根據(jù)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(dá)火星， 那時與地球間的距離將達(dá)到1.9億公里，更遠(yuǎn)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(chǎn)生10分鐘左右的延時，地面無法實(shí)時快速地給探測器的動作發(fā)出指令，測控通信系統(tǒng)面臨著巨大的考驗(yàn)。

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(shù)傳和長基線干涉測量等多種功能于一體的深空測控網(wǎng)，對深空航天器的測控覆蓋率提高到了90%以上，綜合水平處于世界前列。此次“探火”任務(wù)，在探測器進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道后，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(wǎng)成功得到了探測器地火轉(zhuǎn)移段首個圈次的測控信息。

負(fù)責(zé)運(yùn)行管理三大深空站的是西安衛(wèi)星測控中心，此前它對三大深空站的對頻率綜合系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶、監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)備軟硬件進(jìn)行了非常科學(xué)細(xì)致的優(yōu)化升級，以便為執(zhí)行探測任務(wù)提供更為穩(wěn)定強(qiáng)大的測控保障。三大深空測控站點(diǎn)在各自測控弧段內(nèi)會持續(xù)接收、記錄探測器遙測傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對探測器精確實(shí)施測軌和上行遙控。

“探火”很難 為什么一定要去？

在太陽系八大行星中，火星與地球的“血緣關(guān)系”最為接近，兩者都形成于約45億年前，有著相似的自轉(zhuǎn)周期，火星的自轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(fēng)與水雙重侵蝕作用產(chǎn)生的，據(jù)此可以推測，火星上應(yīng)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(fā)現(xiàn)過真正的生命痕跡，但結(jié)論是火星確實(shí)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(xiàn)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(yuǎn)比探測月球復(fù)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?yàn)檠芯炕鹦堑沫h(huán)境變化可以對地球環(huán)境的保護(hù)帶來一定程度的指導(dǎo)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(xué)問題也具有重要意義。

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