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天问长歌，点燃中国星际探测火种


对火星和火星探测有了基础的了解后，就来到今天的主题：我国的天问一号火星探测。



天问一号工程任务包含五个系统：探测系统或卫星系统，是飞行的主体；运载系统，要把卫星探测器送到预定轨道，即奔往火星的入口处；发射场，一个支持发射的地面设施，比如海南文昌发射场、四川西昌发射场，以及甘肃酒泉发射场等等；测控系统，航天器在轨飞行时需要与地面建立联系并对其轨道、位置进行测量，因此需要一个地面测控站通过传输无线电信号，完成信息的交互和速度、距离的测量等；应用系统，即对采得的科学数据进行接收、分析反演等。我主要负责探测器系统。



天问的探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成。下图是探测器的分解图，下面是一个环绕器，上面是一个着陆巡视器，整个探测器重达五吨，在我们发射的所有航天器中算是一个大块头。它总共携带13台载荷，目前全部在轨运行良好，获得了大量的科学数据。但这些数据还需要不断积累，希望能从中得到一些科学发现。这就是我们探测任务的基本情况。






我们的目标是什么？从工程角度来讲，要完成环绕、着陆和巡视，此外还要在地面建立起一套能支持我们未来深空探测发展的工程体系，其中包括地面实验设施的建造，计算方法、计算能力的提升，人才的引进，等等。所以一个航天任务工程，除了要把探测器打上天，也要在这个过程中积累、沉淀下来一些经验。



从科学的角度来讲，一共有五个主要任务。刚才提到13类载荷中，最热点的一个是对火星表面土壤特征和水冰分布进行调查。我们的火星车和环绕器都携带雷达，可以对浅层结构进行探测，观测浅层地下是否存在地下水。这是当今火星探测在科学上的重点，如果有了大量水的存在，就会把火星探测和利用又推向一个新的高潮。



接下来给大家简单介绍一下天问的研制过程。早在2007年，嫦娥一号成功环绕月球，我们就考虑能不能在嫦娥一号的基础上，用比较短的时间实现火星的环绕探测。但出于两方面的限制，后来这个任务并没有启动实施：一是当时地面测控设备有限，二是飞行器上的通讯、测控设备尚在使用模拟信号，因而通讯带宽难以做得很窄，灵敏度也不高，而地面又没有大天线、高功放，很难实现四亿公里的测控通信。






到2010年，嫦娥一号任务结束，嫦娥三号、嫦娥四号任务已经开展一段时间，此时大家得出共识，我们不能仅把目光停留在月球上，还要向更远的行星迈进。所以2010年把火星探测提到日程上来，又开始了新一轮的论证，但这个时候进展还是较慢。到了2014年，嫦娥三号成功着陆月球表面，我们的地外天体着陆技术又往前迈了一步，所以在2014年再次提出要去火星。



这也是论证的转折点：在2014年之前，我们连月球都没着陆，不可能直接提及火星的着陆；2014年着陆月球之后，便开始了对火星的论证，由环绕变成了环绕、着陆加巡视，往前又跨一步。2014年开始，我们进入了准工程阶段，不仅做些纸面文章，还要做一些先期的关键技术攻关。所以我们工程真正的起点在2014年，直到2016年正式立项。



航天器的研制一般分为三个阶段：一是方案阶段，主要做设计，即论证它应该是个什么样子，应该有怎样的指标。接下来初样阶段就是要把图纸变成现实，并对设计进行验证，考核其电磁性能和在各种环境的工作状态等，从力、热、空间环境等各个方面进行综合考核。最后是正样阶段，通过初样验证后正式确定了状态，到正样阶段就把它生产出来，进行测试、考核，最终送到太空，完成既定任务。



2014到2016年是方案阶段， 2016年到2018年是初样阶段，2018年到2020年是正样阶段，每个阶段都是两年左右的时间。研制过程中还遇到了很多困难，虽然有月球探测的基础和经验，但火星探测的一些新特点还是给我们带来不少新的挑战。





到了2020年4月，我们进入海南文昌发射场，2020年7月23日，长征五号运载火箭把天问一号送到地火转移轨道。接下来就是一个漫长的旅程，从发射到真正着陆用了293天，其中去往火星的路上用了200天。



2021年2月10号，即农历的腊月廿九，天问一号成功到达火星并被捕获，成为我们国家第一个火星的人造卫星，在火星轨道又飞行了三个月的时间，共走了4.74亿公里的路程。293天的魂牵梦萦，四亿公里的一路追寻，最终在5月15日、5月22日着陆和开始巡视。







天问一号的整个飞行轨迹如何？下图是俯瞰太阳系的视角，中间是太阳，里圈轨道运行的是地球，外圈轨道运行的是火星。由于地球运转的角速度和火星的角速度有差别，公转周期不同，所以在从地球到火星，要走的路线是浅蓝色的路线，而不是一条直线，类似于霍曼转移，这是在转移过程中能量消耗最小的一个轨迹。这就决定了发射时地球和火星固定的相对相位，而每26个月才会出现这样一个相对相位关系，所以每26个月才有一次发射的机会。



 



接下来转移的过程，中间进行了多次的轨道调整，飞行过程很长且非常复杂，修正和调整就为了它跟火星能够准确地交汇。





虽然卫星从发射到火星环绕历经四亿多公里，但这并不是任务中风险指数最高的环节，时间最短的火星进入过程反而是风险指数最高的环节。经过了将近300天的飞行，探测器开始进入着陆环节，着陆过程用时大概只有九分钟，却是所有过程中最惊心动魄的九分钟。



火星大气的影响范围是125公里。进入后首先靠气动外形进行减速，之后是伞系减速，在这个过程中配平翼展开，然后弹伞，气动外形大底抛开。大底抛开后，相关仪器可以测量相对火星表面的距离、速度等信息。在这个过程中有一个参考系的转换，之前的惯性导航将火星当成一个理想球，而此时可以直接相对表面测量飞行器的距离和速度，并得到绝对高度，而非相对理想球体的速度和高度。



在最后一到两公里时，把背罩抛掉，伞与飞行器分离。平台接下来只能依靠自身的发动机进行工作。动力减速过程中需要对障碍进行识别和规避，最后着陆到火星的表面。这个过程风险指数最高，后面会提到其中的难点和解决的问题。着陆到火星表面之后旋梯展开（如下左图所示），祝融号驶离，右图是祝融号桅杆上的导航相机对自己的一个自拍。祝融号上面有一个太阳能集热器，这个车上另开有两个天窗，其作用在后面也会提到。





下图是着陆后火星车和平台的合影实拍。火星车释放了一个小的无线照相机，拍摄之后照相机把信息传到火星车上，火星车再把信息传到环绕器上，最终传回地面。





祝融号在火星表面的探测分为三大任务。第一个任务是感知，在启动之前会对周围进行扫描，把周围的地形地貌通过相机的拍摄传到地面，地面可以根据这些信息建立起周围的三维影像结构，并规划车行走的路线。第二个任务是移动，车根据地面的指令进行移动。第三个任务是探测，既在移动中进行科学探测，也在停止的时候进行。



其中移动有多种形式，一种是靠地面指定每一步的步长。同时也可以不靠地面指定，只告诉它一个40米之内的目标点，它就可以边走边看边规划，自主移动到目标点。发现路径不合适，就会主动选择合适的路径去到达目标点。类似我们日常用到的导航软件会给你提供多种路线。



祝融号的智能性，可谓是当今地外天体巡视器的最高水平，虽然和地球地面的无人驾驶车辆相比还是有差距。这个差距来自两方面：第一，地球地面的情况和火星上的地形完全不一样，地球上自动驾驶可以利用公路的标志线等信息做辅助；第二，地面的计算机运算能力更强，可以达到更高的智能程度。祝融号受限于各种因素，但也达到了相当高的水平。



这次火星探测，一次就实现了环绕、着陆和巡视三个目标，这样的成功并不是偶然。严肃认真的论证历程，嫦娥探月工程带来的技术支撑等，都是成功的基础，加上团队的不懈努力，以及航天积淀下来的技术、物资、实验，还有精神财富，这些因素共同促成了天问任务的圆满成功。