八大關(guān)卡：“天問(wèn)一號(hào)”到了哪一關(guān)

毛新愿

第一關(guān)：必須抓住的發(fā)射窗口

跟火星比起來(lái)，地球距離太陽(yáng)更近，環(huán)繞太陽(yáng)一周需要約365天，火星則需要約687天。這種“不同步”導(dǎo)致地球和火星之間的距離在時(shí)刻變化，從5 500萬(wàn)千米到4億千米不等。從地球視角來(lái)看，二者每約780天才會(huì)合一次：在780天內(nèi)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行了2周49°，恰好超過(guò)了火星一周，二者距離達(dá)到一次最近。

人類航天雖然經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展，但運(yùn)載火箭依然以利用化學(xué)能為核心，遠(yuǎn)達(dá)不到科幻電影中無(wú)視星際旅行距離“橫沖直撞”的設(shè)定。因而，火星探測(cè)器的發(fā)射時(shí)間要求很苛刻，必須在每次地球和火星會(huì)合之前幾個(gè)月、火星相對(duì)于太陽(yáng)的位置領(lǐng)先于地球特定角度的時(shí)候出發(fā)，瞄準(zhǔn)6～11個(gè)月之后火星的位置，開(kāi)啟火星探測(cè)之旅。

由于每次地球和火星會(huì)合機(jī)會(huì)帶來(lái)的理想探測(cè)窗口僅有一個(gè)月左右，探測(cè)任務(wù)如果趕不上出發(fā)，就要等待26個(gè)月后的下一次機(jī)會(huì)。這對(duì)于存在設(shè)計(jì)壽命且有著巨大保管維護(hù)成本的探測(cè)器而言，是很難接受的。

第一關(guān)，“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)完美通過(guò)！

第二關(guān)：強(qiáng)力的運(yùn)載火箭

在人類航天探索中，航天器的速度是最重要的核心。

想實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)，意味著探測(cè)器不僅要突破第二宇宙速度，完全擺脫地球引力，還要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步加速，在抵達(dá)火星前盡力擺脫太陽(yáng)引力的巨大影響，而太陽(yáng)的質(zhì)量是地球質(zhì)量的30余萬(wàn)倍。這對(duì)探測(cè)火星的運(yùn)載火箭要求極高，基本都是各國(guó)最為強(qiáng)力的火箭系列。即便如此，探測(cè)器占火箭總體質(zhì)量的比例都在1%以下，絕大部分質(zhì)量都用于裝載推進(jìn)劑，這是人類航天夢(mèng)想的巨大代價(jià)。

對(duì)于總重5噸左右的“天問(wèn)一號(hào)”而言，帶它前往火星的就是長(zhǎng)征系列中最強(qiáng)的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭。

第二關(guān)，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭托起“天問(wèn)一號(hào)”飛向火星的夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)！

第三關(guān)：霍曼轉(zhuǎn)移軌道

1925年，德國(guó)航天工程師瓦爾特·霍曼博士提出了著名的霍曼轉(zhuǎn)移軌道。他或許沒(méi)有想到，這個(gè)理論成為后來(lái)人類幾乎所有火星探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道理論認(rèn)為：在從地球出發(fā)時(shí)（假設(shè)地球、火星均為圓軌道），探測(cè)器需要達(dá)到32.7千米/秒的速度，超過(guò)地球本身的運(yùn)動(dòng)速度（29.8千米/秒），加速；在抵達(dá)火星時(shí)，探測(cè)器速度為21.5千米/秒，低于火星運(yùn)動(dòng)速度（24.1千米/秒），再次加速。不過(guò)由于火星引力加速和大部分任務(wù)目標(biāo)是環(huán)繞火星等原因，“再次加速”實(shí)際上是在火星附近的制動(dòng)工作，以切入環(huán)繞火星軌道。飛行過(guò)程中，為應(yīng)對(duì)外力可能造成的軌道偏移，也僅需推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行短暫的工作微調(diào)，絕大部分時(shí)間自由飛行。

整體上，霍曼轉(zhuǎn)移方案非常簡(jiǎn)單，軌道是半個(gè)橢圓，連接了地球軌道和火星軌道，全程需6～11個(gè)月時(shí)間。它能夠最大限度節(jié)省推進(jìn)劑，最大限度減少操作，是人類火星之旅的最優(yōu)方案。

第三關(guān)，“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)在切入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的路上。

第四關(guān)：深空導(dǎo)航制導(dǎo)與控制

茫茫深空，漫漫長(zhǎng)路，此前各個(gè)探測(cè)任務(wù)采用的霍曼轉(zhuǎn)移軌道普遍在4億～7億千米的長(zhǎng)度，6～11個(gè)月的旅程。“天問(wèn)一號(hào)”的軌跡耗時(shí)7個(gè)月左右，預(yù)計(jì)于2021年2月中才能抵達(dá)火星，需要走過(guò)的路已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了中國(guó)此前的航天任務(wù)。

一方面，在出發(fā)階段，需要陸基測(cè)控站和萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)望系列航天測(cè)量船全程保駕護(hù)航。出發(fā)后，需要龐大的深空探測(cè)天線網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)天域，保證它在整個(gè)探測(cè)火星過(guò)程中都能跟地球有效通信。要知道，“天問(wèn)一號(hào)”距地球最遠(yuǎn)的時(shí)候，地球和火星距離將達(dá)到 4億千米，這個(gè)距離單程都需要光速飛行22分鐘！另一方面，“天問(wèn)一號(hào)”也需要自主導(dǎo)航和控制，精準(zhǔn)確定自身位置和姿態(tài)。例如利用恒星敏感器把自己的姿態(tài)確定到角秒級(jí)的精度。

第四關(guān)，地球上的中國(guó)航天人和太空中的“天問(wèn)一號(hào)”正常通訊中。

第五關(guān)：“繞”“落”“巡”，一個(gè)都不能少

人類探測(cè)火星60年來(lái)，共有四種任務(wù)類型：驚鴻一瞥的“飛掠”，登高望遠(yuǎn)的“環(huán)繞”，觀天測(cè)地的“降落”和自由移動(dòng)的“巡視”。其中，“飛掠”僅是在早期技術(shù)不成熟或其他任務(wù)兼職探測(cè)火星時(shí)使用，另外三種是近些年來(lái)的任務(wù)類型主力。

其中，環(huán)繞器（軌道器）能長(zhǎng)期環(huán)繞火星，采集海量的數(shù)據(jù)，全方位研究火星磁場(chǎng)、大氣、重力場(chǎng)、水、淺層土壤、地質(zhì)地貌等方面，還能起到信號(hào)中繼作用，服務(wù)于降落在火星表面的著陸器和巡視器。著陸器能仔細(xì)研究火星表面的各種細(xì)節(jié)，但由于重量和自身能量限制，無(wú)法移動(dòng)和自由巡視。巡視器可以隨處移動(dòng)，意義不言而喻，它的質(zhì)量能更多集中于科研載荷，從事多地點(diǎn)、多方面的精細(xì)研究。

一般而言，火星探測(cè)任務(wù)都會(huì)采取“繞”“落”“巡”分開(kāi)的形式以降低難度。即便如此，幾十年來(lái)人類探測(cè)火星的任務(wù)成功率僅有一半左右。而這次“天問(wèn)一號(hào)”的選擇是：“‘繞‘落‘巡我都要！”它包括了環(huán)繞器、著陸器和巡視器三個(gè)部分。

第五關(guān)，極度復(fù)雜的火星探測(cè)任務(wù)正在路上。

第六關(guān)：切入軌道，靜待時(shí)機(jī)

經(jīng)過(guò)近7個(gè)月的長(zhǎng)途旅行后，預(yù)計(jì)在2021年2月中旬，火星將出現(xiàn)在眼前，“天問(wèn)一號(hào)”也將被火星引力俘獲。環(huán)繞器此時(shí)要執(zhí)行最為關(guān)鍵的一步：制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。為最大限度節(jié)省推進(jìn)劑，“天問(wèn)一號(hào)”的三個(gè)部分將會(huì)整體進(jìn)入環(huán)繞火星的大橢圓軌道中，沒(méi)必要追求更消耗推進(jìn)劑的圓形軌道。

這個(gè)方案不同于進(jìn)入21世紀(jì)后的歐洲兩次類似任務(wù)。它們都是抵達(dá)火星后立即分離，著陸部分并不進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。這樣做雖然可以大大降低環(huán)繞器的制動(dòng)變軌壓力，但代價(jià)也是慘烈的：火星快車號(hào)和微量氣體探測(cè)器任務(wù)的著陸部分均宣告失敗。重要原因之一是，給著陸留下的選擇窗口太短，因而“天問(wèn)一號(hào)”并不采用這種方案。

在隨后環(huán)繞火星的約兩個(gè)月內(nèi)，是“天問(wèn)一號(hào)”的環(huán)繞器最為繁忙的時(shí)間。它需要逐漸開(kāi)啟自身的7個(gè)有效載荷，認(rèn)真研究火星表面的情況，反復(fù)確認(rèn)著陸地點(diǎn)和最優(yōu)著陸窗口。一旦確認(rèn)后，二者分離，環(huán)繞器繼續(xù)在軌工作，著陸器攜帶巡視器開(kāi)始最為艱難的火星著陸之旅。

第六關(guān)，環(huán)繞器是重中之重！

第七關(guān)：恐怖7分鐘

由于距離過(guò)于遙遠(yuǎn)，地球和火星雙向通訊延時(shí)將長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘，且火星著陸時(shí)間一般僅在7～8分鐘，地面工作人員不可能人工控制復(fù)雜的火星著陸過(guò)程，這一切全要靠著陸器自己完成。

火星有大氣，但又特別稀薄。這成了航天人又愛(ài)又恨的因素：一方面，可以利用大氣氣動(dòng)減速，使用降落傘；另一方面，必須找準(zhǔn)進(jìn)入角度，過(guò)大著陸器會(huì)過(guò)熱焚毀，過(guò)小會(huì)打水漂一樣滑入深空，根本無(wú)法著陸。更重要的是，火星大氣的密度太低了，甚至還不足地球大氣層的1%，即便最大極限地利用了火星大氣減速，依然無(wú)法把速度降到理想狀態(tài)，要想著陸火星必須自帶反推火箭。

第七關(guān)，“刀尖上舞者”著陸器要在火星表演著陸藝術(shù)。

第八關(guān)：巡視器出發(fā)，開(kāi)機(jī)工作

“繞”“落”“巡”的串聯(lián)任務(wù)終于進(jìn)行到最后一步。著陸器穩(wěn)定著陸后，將會(huì)與環(huán)繞器聯(lián)絡(luò)，確定工作狀態(tài)，上傳記錄的全部數(shù)據(jù)，傳回地球。一切確認(rèn)后，著陸器將放出導(dǎo)軌，巡視器開(kāi)機(jī)，積累到足夠能量后，行駛抵達(dá)火星表面，開(kāi)始工作。

探測(cè)火星不僅是工程任務(wù)的突破，更是行星科學(xué)領(lǐng)域的突破。除了常規(guī)的通訊、能量來(lái)源（太陽(yáng)能帆板）、支撐結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)等部分外，“天問(wèn)一號(hào)”整體上攜帶了13種科學(xué)載荷，其中7個(gè)在火星上空的環(huán)繞器上，6個(gè)在降落火星表面的巡視器上。它們共有五大科研目標(biāo)，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究，將給中國(guó)帶來(lái)火星的第一手資料。

第八關(guān)，美麗的火星，“天問(wèn)一號(hào)”將看到它的真面目。

人類探測(cè)火星60年，勝率不到一半，這是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)，卻是代表著人類最美麗、最絢爛航天夢(mèng)想的存在?！疤靻?wèn)一號(hào)”，我們祝福它在余下的闖關(guān)過(guò)程中，一切順利！