近日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制的我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器總飛行里程超過4.5億公里，距地球約1.7億公里。2月10日19點(diǎn)52分，“天問一號”將進(jìn)行近火制動(dòng)（俗稱“剎車”），開啟環(huán)繞火星之旅。
2020年7月23日，長征五號火箭從海南省南部的文昌航天發(fā)射基地發(fā)射，飛向火星，將“天問一號”火星探測器送上火星，該任務(wù)的旅程將持續(xù)7個(gè)月，目標(biāo)是在2021年將火星探測車降落在火星表面。
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圖源：國家航天局官網(wǎng)
“天問一號”火星探測計(jì)劃
“天問一號”是我國獨(dú)立開展星際探索的第一步，是我國首個(gè)火星探測任務(wù)，如果“天問一號”順利著陸，巡視器將與火星上空的軌道器配合工作，在單次任務(wù)中同時(shí)完成其他國家要分三次完成的環(huán)繞、著陸和巡視三大任務(wù)。
首先“天問一號”要在火星軌道環(huán)繞，利用衛(wèi)星上放置的七臺(tái)儀器全面了解火星；然后著陸火星釋放一輛火星車，車上放了六臺(tái)儀器精細(xì)地探測火星。期間，火星車通過攜帶的地形相機(jī)、多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、表面成分探測儀、表面磁場探測儀和氣象測量儀對火星的地形地貌、地下水、地下冰層分布、土壤成分及分布、磁場、大氣層及氣候變化進(jìn)行探索，對火星重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)探查，實(shí)現(xiàn)天上、地上聯(lián)合考察火星的計(jì)劃。
火星與地球間距離呈周期性變化，最近時(shí)約5000萬公里，最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)4億多公里?！疤靻栆惶枴碧綔y器從地球出發(fā)后，是以一個(gè)弧形的軌道追逐火星，而在追逐的過程中，地球和火星也都在繞著太陽運(yùn)動(dòng)，因此探測器飛行的里程一定比它與地球間的距離更遠(yuǎn)。經(jīng)過計(jì)算，“天問一號”抵達(dá)火星附近，總的飛行里程將達(dá)到4.7億公里。
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火星車三維仿真圖
圖源：中國軍網(wǎng)
“天問一號”探火初心
“天問”一詞出自屈原的長詩《天問》，詩中發(fā)出“日月安屬？烈星安陳？”的仰天嘆息，代表了中華民族對自然科學(xué)的渴望和探索浩瀚宇宙的決心?；鹦亲怨乓詠砭褪侵匾挠^測對象，中國最早的文字記載出現(xiàn)在商朝末期：這顆星球熒熒如火、飄忽不定，故曰“熒惑”。人類最早探測火星是出于好奇，從望遠(yuǎn)鏡里看到的火星也總是讓我們遐想，因?yàn)榛鹦堑牡孛哺厍蛴邢嗨浦?，且曾?jīng)從望遠(yuǎn)鏡里發(fā)現(xiàn)火星似乎有水的形態(tài)存在，它的地質(zhì)變遷似乎類似于地球，所以人們想到火星上去探探究竟。但遺憾的是，數(shù)十年來，登火失敗率非常高，直到近幾年人類才有機(jī)會(huì)近距離觀察火星。而我們中國也希望能夠有這樣的機(jī)會(huì)來探測火星的秘密，探尋火星上是否有生命存在的跡象，有助于我們更加深刻地了解太陽系甚至整個(gè)宇宙，提升我國整體的航天水平。
“天問一號”如何到達(dá)火星？
“天問一號”探測器重約5噸（含燃料），由一個(gè)環(huán)繞器和一個(gè)著陸巡視器組合體組成?！疤靻栆惶枴庇砷L征五號發(fā)射，由于長征五號的運(yùn)載能力非常大，可以直接將“天問一號”送入地球和火星的霍曼轉(zhuǎn)移軌道而不經(jīng)過變軌，因此可以節(jié)省很多探測器燃料。
在“天問一號”進(jìn)入地球與火星霍曼轉(zhuǎn)移軌道后，將會(huì)經(jīng)過長達(dá)7個(gè)月左右的飛行。
2021年2月11日“天問一號”將到達(dá)霍曼轉(zhuǎn)移軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)，正好與火星的公轉(zhuǎn)軌道相交。“天問一號”的飛行速度是第二宇宙速度，因此無法被火星引力捕獲，這時(shí)“天問一號”就需要用發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)行減速讓火星可以捕獲它。被火星捕獲后“天問一號”進(jìn)入環(huán)繞火星的一個(gè)大橢圓軌道，之后在大橢圓軌道離火星最近距離的地方再次減速進(jìn)入一個(gè)小橢圓軌道。在進(jìn)入火星的小橢圓軌道后“天問一號”可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行變軌，由此，“天問一號”開始對火星進(jìn)行探測，對火星車可能的著陸區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)拍照分析。
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圖源：央視新聞
“天問一號”的難點(diǎn)在哪里？有多難？
“天問一號”被火星捕獲是整個(gè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)之一，且只有一次機(jī)會(huì)，如果“剎車”早了，探測器速度降得過低，會(huì)墜入大氣層撞擊火星，而“剎車”晚了，探測器就會(huì)錯(cuò)過火星，直接飛向更遠(yuǎn)的深空。
聽起來容易，但這“剎車”可不是簡單的開一下反推裝置的事。嫦娥五號抵達(dá)月球后進(jìn)行了一次“剎車”，完成了近月制動(dòng)，著陸器和上升器也在月球表面實(shí)現(xiàn)了軟著陸，看似與火星探測器著陸過程類似，但“天問一號”近火制動(dòng)則難度大得多。
首先，月球沒有大氣層，不用考慮大氣對航天器的影響，而火星表面覆蓋著稀薄的大氣，進(jìn)入火星的過程中，要利用大氣減速，但我們對火星大氣了解還不夠。
其次，地球到火星的最近距離是月球的130多倍，最遠(yuǎn)的距離是到月球的9800多倍，距離太過遙遠(yuǎn)，探測器必須具備足夠的智能，判斷所有突發(fā)情況，需要自己判斷開機(jī)與執(zhí)行剎車的時(shí)間。著陸過程大概持續(xù)7分鐘，通信時(shí)延超過了10分鐘，也就是說信號從火星到地球傳輸一個(gè)來回需要約20分鐘，因此地面不能做任何的實(shí)時(shí)控制和干預(yù)，不可能從地球發(fā)送指令，只能在一個(gè)小時(shí)后通過遙測數(shù)據(jù)得知有沒有成功的剎車。探測器必須具備足夠的智能，判斷所有突發(fā)情況。
“一旦進(jìn)入，就必須按照預(yù)定時(shí)序和節(jié)點(diǎn)銜接，出現(xiàn)任何問題都無法人工干預(yù)，地面人員來不及進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀和發(fā)送指令?！敝袊教炜萍技瘓F(tuán)五院研究員 、“天問一號”探測器總設(shè)計(jì)師孫澤洲說。
孫澤洲還表示，“天問一號”探測器之所以著陸比飛向火星、環(huán)繞和巡視更難，是因?yàn)檫@個(gè)過程“短暫而唯一”，沒有第二次機(jī)會(huì)，錯(cuò)過無法彌補(bǔ)?！捌渌麕讉€(gè)過程在時(shí)間上都沒有那么苛刻的條件，遇到狀況可以等一等，但著陸的過程沒法暫停?！?/p>
因此，“天問一號”探測器登陸火星可不只是看起來的到火星上溜達(dá)一圈那么簡單，整個(gè)過程就是上演了真實(shí)的“難如登天”。
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圖源：美國國家航空航天局
我想，大家不會(huì)忘記2020年國慶、中秋雙節(jié)之際，“天問一號”首次傳回來的深空“自拍”，圖上的五星紅旗在夜空中耀眼奪目！此時(shí)此刻，我們共同期待五星紅旗于火星上空飄揚(yáng)的那一天！
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圖源：中國航天科技集團(tuán)
作者丨關(guān)曉 科普作者
審稿丨黃宇 北京市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所
文章由騰訊“全民愛科學(xué)”團(tuán)隊(duì)推出
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