天問一號的探火之旅

薛炳森 韓大洋

“前所未有”的出征儀式

天問一號的座駕是長征五號遙四火箭。2020年1月19日，火箭的氫氧發(fā)動機(jī)完成了總裝出廠前的最后一項(xiàng)驗(yàn)證——100秒校準(zhǔn)試車，這標(biāo)志著這臺發(fā)動機(jī)性能達(dá)到了預(yù)定要求，能夠肩負(fù)托舉起天問一號的任務(wù)。

探索火星的天問一號與到訪月球的“嫦娥”不同，探月軌道是一個(gè)微縮的天問之路，依靠火箭的推力，將嫦娥探測器推送進(jìn)入一個(gè)大橢圓形的衛(wèi)星軌道，其遠(yuǎn)地點(diǎn)與地球的距離就是月球軌道的半徑，當(dāng)以預(yù)定速度到達(dá)這個(gè)位置后，探測器就會被月球引力所捕獲。不難看出，到月球的路途可比去火星的近多了，軌道的設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，途中需要探測器做的機(jī)動動作也較少。

嫦娥探月軌道

但是天問一號任務(wù)的難度可就大多了。首先速度要夠快，因此專門給它配備了長征五號運(yùn)載火箭，幫助它將飛行速度提升至超過第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個(gè)速度下運(yùn)動的物體足以逃脫地球的引力，升格成為“人造行星”，也就是不再圍著地球轉(zhuǎn)了，而是和地球一樣成為太陽的“跟班兒”。這時(shí)的天問一號遵從開普勒定律的“引導(dǎo)”，沿著環(huán)太陽的橢圓軌道運(yùn)行。但如果你以為就這樣一直飛行就能到達(dá)火星可就未免太低估它了，打個(gè)比方會更加明了。法國巴黎距離日本東京大約9800千米，從巴黎埃菲爾鐵塔上揮桿擊球，這個(gè)球要不偏不斜的直接掉落到東京鐵塔上的球洞里，這就是此次火星任務(wù)的難度“級別”了。除此之外，天問一號還要帶夠燃料以便應(yīng)付到達(dá)火星附近時(shí)的操作，所以，它的重量將超過嫦娥探測器數(shù)倍。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，再加上目前中國最強(qiáng)運(yùn)載火箭長征五號的推力也顯得不太富裕，所以必須精打細(xì)算，盤算著每一次機(jī)動動作在哪里做，在什么角度位置時(shí)點(diǎn)火，這些都要精確瞄準(zhǔn)、拿捏力道，同時(shí)，揮桿的一刻要果斷。盡管計(jì)劃的如此周全，但從地面直接發(fā)射之后，包括大氣層的擾動、火箭的晃動等，都會給飛船的出發(fā)精度帶來更多不可控性，可謂風(fēng)險(xiǎn)依舊。

為了能夠達(dá)到近乎苛刻的出發(fā)精度參數(shù)要求（包括角度、速度），火箭和飛船要首先進(jìn)入200千米左右的赤道圓軌道，在這里，火箭需要通過不斷地微調(diào)，等待著最佳的二次點(diǎn)火出發(fā)角度，這就需要一個(gè)繞地球旋轉(zhuǎn)2～3周的調(diào)整窗口，與此同時(shí)，火箭也在“調(diào)整”著它的狀態(tài)，因?yàn)殚L征五號采用的是液氫液氧發(fā)動機(jī)，而液氫需要足夠的低溫才更有利于發(fā)動機(jī)工作，大氣層外軌道上的低溫為此提供了條件。在火箭繞地球旋轉(zhuǎn)的每個(gè)圈次中，達(dá)到點(diǎn)火要求的出發(fā)角度對應(yīng)的時(shí)間只有2～3秒，轉(zhuǎn)瞬即逝。這個(gè)時(shí)候就需要地面控制指令的下達(dá)與執(zhí)行準(zhǔn)確果斷，火箭激發(fā)一步到位，說起來容易做起來難，要知道，2009年準(zhǔn)備發(fā)射去火星的螢火探測器就是因?yàn)榛鸺谲壍郎线_(dá)不到發(fā)射條件而錯(cuò)過了任務(wù)窗口，最終造成整個(gè)任務(wù)失敗。

漫長的奔火征途

2011 年巴黎航展上的航天器模型，箭頭指向處是螢火一號（圖片來源 / Wiki）

螢火一號和福布斯 - 土壤軌道示意圖。其中紅、橙、黃色為螢火一號轉(zhuǎn)移軌道，綠色為螢火一號工作軌道

霍曼轉(zhuǎn)移軌道示意圖

二次點(diǎn)火完成，出征階段結(jié)束，天問一號揮別地球，踏上茫茫的奔火征程。因?yàn)樵谶M(jìn)駐火星軌道時(shí)需要的燃料還不好確定，因此在出發(fā)奔赴火星時(shí)需要優(yōu)化軌道參數(shù)，使得奔火過程所消耗的燃料最小化。經(jīng)過精打細(xì)算、反復(fù)優(yōu)化，科學(xué)家優(yōu)選出了一條最省燃料的軌道——霍曼軌道。從地球啟程后，天問一號要短暫地獲得行星的名號，其軌道為以太陽為焦點(diǎn)的橢圓，出發(fā)時(shí)對應(yīng)的位置是近日點(diǎn)，并最終在遠(yuǎn)日點(diǎn)與火星相會，這就是霍曼軌道。不難看出，火箭二次出發(fā)時(shí)其速度、角度都是大有講究的。

根據(jù)計(jì)算，走霍曼軌道的天問一號大約需要10個(gè)月的行程，在這段時(shí)間里，天問一號只能偶爾向指揮中心報(bào)告一下方位。地面專家也會根據(jù)軌道模擬計(jì)算結(jié)果，對飛船的方向進(jìn)行微調(diào)。不過注意，這里有個(gè)問題，在茫茫太陽系中，沒有GPS和導(dǎo)航，天問是怎么知道方位和方向的呢？答案就是依靠古老、有效且準(zhǔn)確的恒星定位法，我們在地球上也經(jīng)常用到。首先，在視野中選取相關(guān)的4顆恒星，通過測量恒星的方位角就可以判斷自己所處的位置以及前行方向，從而完成導(dǎo)航。不過，誤差不請自來。在近乎真空的環(huán)境里前進(jìn)，天問一號的方向也可能跑偏，這種偏差通常是來自太陽光的光壓，盡管壓力很小，但是光始終照在飛船的一個(gè)側(cè)面，且持續(xù)的時(shí)間長，積少成多。天問一號的運(yùn)行方向不經(jīng)意間就發(fā)生了改變，如不及時(shí)糾正，就會像射擊瞄準(zhǔn)中的小誤差一樣，看似失之毫厘，實(shí)則謬以千里。

考驗(yàn)天問一號的下一道關(guān)口就是進(jìn)入火星的“勢力”范圍。當(dāng)天問一號與火星幾乎同時(shí)到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，此時(shí)的速度還是第二宇宙速度（11.2千米/秒），如果它頭也不回地繼續(xù)飛行，最終將與火星擦肩而過。所以，這時(shí)的天問一號需要踩一腳剎車，使其速度下降，以便被火星的重力場捕獲而成為環(huán)繞火星運(yùn)動的衛(wèi)星。這一波操作對于探月和探火成功的國家可謂輕車熟路，但天問一號衛(wèi)星還要“秀一把”車技，別國的火星探測器都是運(yùn)行在火星赤道上的圓軌道上（高度和軌道相對穩(wěn)定），而天問一號則選擇了有一定傾角的橢圓軌道（近火點(diǎn)和遠(yuǎn)火點(diǎn)相差很大的橢圓），這樣做有一個(gè)好處，能夠相對全面的探測火星的電離層和磁層。

2001 年火星奧德賽號探火軌道（圖片來源 / Wiki）

軌道的問題基本解決了，還有一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是通信。與距離地球較近的月球探測任務(wù)不同，當(dāng)天問一號即將登陸火星時(shí)，火星距離地球約1.2億千米遠(yuǎn)，信號傳輸回地球需要約6分鐘時(shí)間，來自地球的指令需要同樣的時(shí)間才能回復(fù)天問一號，這在機(jī)會稍縱即逝的行星轉(zhuǎn)衛(wèi)星的操作中肯定會誤事，因此，這個(gè)階段會讓天問一號根據(jù)探測數(shù)據(jù)，以及設(shè)定的規(guī)則自己完成處置。俗話說“展現(xiàn)真正技術(shù)的時(shí)候到了”，借助人工智能去替代人工指令，是本次探火任務(wù)全球矚目的關(guān)鍵之一。

著陸火星不容易

天問一號還肩負(fù)著巡視火星的使命，在進(jìn)入火星軌道之后，著陸器和巡視器將在合適的時(shí)機(jī)與軌道器分離，沖入危機(jī)四伏的火星大氣中。這一過程，中國的神舟、嫦娥航天器已經(jīng)提前“演練”過多次，都完美安全著陸。不過，天問一號落地之路與過往的飛行器著陸區(qū)別很大。首先，火星有稀薄的大氣，這與月球的近真空和地球的濃密大氣環(huán)境都不相同，需要全新的設(shè)計(jì)。更重要的是，天問一號的著陸過程受限于測控信號的遲滯（信號一來一回要10多分鐘），科學(xué)家無法對著陸過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，完全靠人工智能來獨(dú)立完成，也就是說，天問一號需要根據(jù)探測到的火星數(shù)據(jù)，在預(yù)先設(shè)置的程序指導(dǎo)下，自主選擇著陸的線路和方式，這對于地球上的控制人員來說，相當(dāng)于盲降，堪稱整個(gè)火星任務(wù)中最驚心動魄的時(shí)刻。

火星探測器一般都會怎樣著陸呢？

天問一號著陸器進(jìn)入火星大氣分為三個(gè)階段。第一階段，火星探測器進(jìn)行著陸前的準(zhǔn)備，包括變軌、調(diào)姿、制動等，著陸器與軌道器分離后獨(dú)自進(jìn)入火星大氣層;第二階段，著陸器依靠氣動外形所獲取的大氣阻力進(jìn)行減速，這時(shí)著陸器要經(jīng)受嚴(yán)酷且未知的氣動加熱以及過載考驗(yàn)。當(dāng)達(dá)到降落傘開傘條件時(shí)降落傘彈出，同時(shí)拋掉防熱大底;第三階段，在最終著陸前雷達(dá)開機(jī)判定著陸高度，計(jì)算機(jī)控制反推火箭點(diǎn)火制動，達(dá)到允許的著陸速度后著陸器與降落傘分離開，再經(jīng)過復(fù)雜而精確的懸停、避障、降落，著陸過程完畢。隨后，著陸器打開，釋放火星巡視車，這種著陸方案在嫦娥四號軟著陸月球背面時(shí)已經(jīng)受住了考驗(yàn)。

以上是我們在火星探測的動畫模擬中見到的著陸過程，而實(shí)際上，火星上還會不時(shí)刮起漫天的沙塵暴，地表?xiàng)l件復(fù)雜、崎嶇不平，驚天一落的末尾可謂“暗藏殺機(jī)”，都需要天問一號的臨機(jī)處置，讓我們拭目以待吧！

（責(zé)任編輯 / 岳萌美術(shù)編輯 / 周游）

火星上會不時(shí)刮起沙塵暴