“天問(wèn)一號(hào)”如何飛向火星

火玥

中國(guó)將行星探測(cè)任務(wù)命名為“天問(wèn)”系列

一、“天問(wèn)”系列的行星之旅

“天問(wèn)”只是中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的名稱嗎？不，它將是中國(guó)未來(lái)行星探測(cè)任務(wù)共有的名稱。兩千多年前，我國(guó)偉大詩(shī)人屈原在他的長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》里寫道：“日月安屬，列星安陳”，兩千多年后，中國(guó)的“天問(wèn)”系列將組建一支強(qiáng)大的“行星艦隊(duì)”，攬星九天，為這個(gè)古老的問(wèn)題作出自己的回答。

此前，美國(guó)就數(shù)次以一個(gè)系列完成了多個(gè)行星探測(cè)的任務(wù)。例如，NASA的“水手”系列在1962年～1973年11年時(shí)間里探測(cè)了火星、金星和水星，“水手”11和12號(hào)（“旅行者”1號(hào)和2號(hào)）探訪了外太陽(yáng)系的4顆行星，“水手”系列可以說(shuō)探測(cè)了整個(gè)太陽(yáng)系。

“攬星九天”任務(wù)標(biāo)識(shí)

“水手”10號(hào)探測(cè)器

“旅行者”1號(hào)和2號(hào)

“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)起點(diǎn)高

“天問(wèn)一號(hào)”軌道器示意圖

著陸巡視組合體的工作過(guò)程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測(cè)

二、“繞、落、巡”三大任務(wù)

“天問(wèn)一號(hào)”將是我國(guó)自主發(fā)射的第一顆火星任務(wù)探測(cè)器，將利用1次發(fā)射完成“環(huán)繞”“著陸”“巡視”火星這3大任務(wù)，也就是所謂的“繞、落、巡”。

環(huán)繞通過(guò)環(huán)繞器（軌道器）來(lái)完成，例如目前在軌的NASA火星勘測(cè)軌道飛行器，就在環(huán)繞火星的過(guò)程中展開探測(cè)任務(wù)。我國(guó)的“天問(wèn)一號(hào)”會(huì)包含1個(gè)環(huán)繞器，完成至少1年的環(huán)火星探測(cè)。

此外，“天問(wèn)一號(hào)”將通過(guò)一個(gè)著陸巡視組合體來(lái)完成著陸和巡視兩項(xiàng)任務(wù)。著陸巡視組合體包含進(jìn)入艙（著陸架）和火星車兩部分，進(jìn)入艙負(fù)責(zé)著陸，而火星車負(fù)責(zé)科學(xué)探測(cè)。

三、“胖五”火箭的實(shí)力擔(dān)當(dāng)

飛向遙遠(yuǎn)的火星，首先需要有更強(qiáng)大的火箭?；鹦呛偷厍蚨际黔h(huán)繞太陽(yáng)的行星，兩者的距離會(huì)不斷變化：地球和火星位于太陽(yáng)兩側(cè)時(shí)最遠(yuǎn)距離大約4億千米，而位于太陽(yáng)同側(cè)最近時(shí)也有5460萬(wàn)千米。即使是火星最近的時(shí)候，也是地月距離的150倍。

要知道，探測(cè)器去火星并不是直線飛過(guò)去的，而是通過(guò)火箭將其送入橢圓軌道，在圍繞軌道運(yùn)行過(guò)程中與火星“相遇”。因此，“天問(wèn)一號(hào)”去火星，“嫦娥五號(hào)”去月球，都必須依賴運(yùn)輸能力更強(qiáng)大的“胖五”火箭——“長(zhǎng)征五號(hào)”大推力運(yùn)載火箭。

2020年1月19日，負(fù)責(zé)發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”的火箭——“長(zhǎng)征五號(hào)遙四”火箭的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)完成了總裝出廠前的最后一項(xiàng)驗(yàn)證，即將轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。這意味著“天問(wèn)一號(hào)”終于得到了出發(fā)的保障。

2019年12月27日，“長(zhǎng)征五號(hào)遙三”火箭發(fā)射升空

目前公開的中國(guó)火星探測(cè)器實(shí)拍照片

阿根廷深空站35米天線及附近地形

阿根廷深空站35米天線及附近地形

四、超遠(yuǎn)距離的通訊挑戰(zhàn)

火星最遠(yuǎn)時(shí)距離地球4億千米，是地月距離的1000倍。距離越遠(yuǎn)，不僅信號(hào)傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，更重要的是信號(hào)衰減也越劇烈。無(wú)論探測(cè)器飛得多遠(yuǎn)，都能“抓得住”“收得到”，這是我們邁向星辰大海的前提和保障。相比月球，遙遠(yuǎn)的火星顯然為地球與探測(cè)器之間的通訊帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

與火箭和探測(cè)器保持通訊需要強(qiáng)大的地面站，或者說(shuō)數(shù)目更多、分布更廣、口徑更大的地面天線。中國(guó)已經(jīng)初步組建了自己的深空測(cè)控網(wǎng)，目前，我國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)由中國(guó)西北部喀什地區(qū)35米深空站、中國(guó)東北部佳木斯地區(qū)66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站組成。未來(lái)，我國(guó)還將繼續(xù)強(qiáng)化測(cè)控網(wǎng)的建設(shè)，向著更大、更多、更廣的目標(biāo)邁進(jìn)。

佳木斯深空站66米天線和喀什深空站35米天線

五、著陸火星的巨大風(fēng)險(xiǎn)

順利飛到火星附近，地面站也沒(méi)和探測(cè)器失聯(lián)，對(duì)于一個(gè)著陸任務(wù)來(lái)說(shuō)，只是成功了一半。著陸火星比著陸月球要危險(xiǎn)得多，這很大程度上是因?yàn)榛鹦怯写髿鈱?。盡管火星大氣層很稀薄，表面大氣壓只有地球的6%，但也足以形成一個(gè)“屏障”，讓毫無(wú)防備的探測(cè)器在著陸之前被燒壞，因此，火星也曾被稱為“探測(cè)器墳場(chǎng)”。但也不是說(shuō)火星大氣沒(méi)有一點(diǎn)好處，火星大氣的存在讓著陸任務(wù)有了利用大氣摩擦減速和使用降落傘減速的空間，這些都能緩解之后使用反沖火箭減速的壓力。

總之，相對(duì)于簡(jiǎn)單直接的月球著陸任務(wù)，火星著陸任務(wù)有很多復(fù)雜的步驟。例如，著陸組件得先被放進(jìn)隔熱盾里保護(hù)起來(lái)，降落傘要能打得開、撐得住，減速到一定程度隔熱盾還要打得開、拋得掉……而這些都得靠探測(cè)器自主判斷和完成。任何一個(gè)操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能會(huì)讓探測(cè)器無(wú)法成功著陸。這對(duì)于第一次嘗試著陸火星的中國(guó)來(lái)說(shuō)，顯然是巨大的挑戰(zhàn)。

不過(guò)，“嫦娥工程”從“嫦娥一號(hào)”到“嫦娥四號(hào)”的四次任務(wù)逐步實(shí)現(xiàn)了月球的環(huán)繞、著陸和巡視，中國(guó)航天人積累的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)技術(shù)人才，為中國(guó)火星任務(wù)和接下來(lái)的深空任務(wù)打下了牢靠的基礎(chǔ)。讓我們一起為“天問(wèn)”系列加油！