“天問一號”如何飛向火星

◎摘編 火玥

在2020年4月24日的“中國航天日”上，中國火星探測任務(wù)確定了任務(wù)名稱——“天問一號”?！疤靻栆惶枴比绾物w向火星，它的背后都有哪些故事？讓我們一起來看看！

中國將行星探測任務(wù)命名為“天問”系列

一、“天問”系列的行星之旅

“天問”只是中國火星探測任務(wù)的名稱嗎？不，它將是中國未來行星探測任務(wù)共有的名稱。兩千多年前，我國偉大詩人屈原在他的長詩《天問》里寫道：“日月安屬，列星安陳”，兩千多年后，中國的“天問”系列將組建一支強(qiáng)大的“行星艦隊”，攬星九天，為這個古老的問題作出自己的回答。

“攬星九天”任務(wù)標(biāo)識

此前，美國就數(shù)次以一個系列完成了多個行星探測的任務(wù)。例如，NASA的“水手”系列在1962年～1973年11年時間里探測了火星、金星和水星，“水手”11和12號（“旅行者”1號和2號）探訪了外太陽系的4顆行星，“水手”系列可以說探測了整個太陽系。

“水手”10號探測器

“旅行者”1號和2號

“天問一號”火星探測起點(diǎn)高

“天問一號”軌道器示意圖

著陸巡視組合體的工作過程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測

二、“繞、落、巡”三大任務(wù)

“天問一號”將是我國自主發(fā)射的第一顆火星任務(wù)探測器，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)繞通過環(huán)繞器（軌道器）來完成，例如目前在軌的NASA火星勘測軌道飛行器，就在環(huán)繞火星的過程中展開探測任務(wù)。我國的“天問一號”會包含1個環(huán)繞器，完成至少1年的環(huán)火星探測。

此外，“天問一號”將通過一個著陸巡視組合體來完成著陸和巡視兩項任務(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。

三、“胖五”火箭的實力擔(dān)當(dāng)

飛向遙遠(yuǎn)的火星，首先需要有更強(qiáng)大的火箭。

火星和地球都是環(huán)繞太陽的行星，兩者的距離會不斷變化：地球和火星位于太陽兩側(cè)時最遠(yuǎn)距離大約4億千米，而位于太陽同側(cè)最近時也有5460萬千米。即使是火星最近的時候，也是地月距離的150倍。

要知道，探測器去火星并不是直線飛過去的，而是通過火箭將其送入橢圓軌道，在圍繞軌道運(yùn)行過程中與火星“相遇”。因此，“天問一號”去火星，“嫦娥五號”去月球，都必須依賴運(yùn)輸能力更強(qiáng)大的“胖五”火箭——“長征五號”大推力運(yùn)載火箭。

2020年1月19日，負(fù)責(zé)發(fā)射“天問一號”的火箭——“長征五號遙四”火箭的氫氧發(fā)動機(jī)完成了總裝出廠前的最后一項驗證，即將轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。這意味著“天問一號”終于得到了出發(fā)的保障。

2019年12月27日，“長征五號遙三”火箭發(fā)射升空

目前公開的中國火星探測器實拍照片

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)，不僅信號傳輸時間越長，更重要的是信號衰減也越劇烈。無論探測器飛得多遠(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器之間的通訊帶來了更大的挑戰(zhàn)。

與火箭和探測器保持通訊需要強(qiáng)大的地面站，或者說數(shù)目更多、分布更廣、口徑更大的地面天線。中國已經(jīng)初步組建了自己的深空測控網(wǎng)，目前，我國深空測控網(wǎng)由中國西北部喀什地區(qū)35米深空站、中國東北部佳木斯地區(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，我國還將繼續(xù)強(qiáng)化測控網(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

順利飛到火星附近，地面站也沒和探測器失聯(lián)，對于一個著陸任務(wù)來說，只是成功了一半。著陸火星比著陸月球要危險得多，這很大程度上是因為火星有大氣層。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“屏障”，讓毫無防備的探測器在著陸之前被燒壞，因此，火星也曾被稱為“探測器墳場”。但也不是說火星大氣沒有一點(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，相對于簡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，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…… 而這些都得靠探測器自主判斷和完成。任何一個操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會讓探測器無法成功著陸。這對于第一次嘗試著陸火星的中國來說，顯然是巨大的挑戰(zhàn)。

掃描二維碼看“天問一號”火星探測及其標(biāo)識釋義

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