飛向“烏托邦”
——“天問一號(hào)”奔向火星的漫漫長旅

文/ 陳立 制圖/ 丁潔

一道火焰劃過，長征五號(hào)火箭載著中國首顆火星探測(cè)器，以約11.5 公里/秒的速度脫離地球引力束縛，成為環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)的“人造行星”。

飛行約1.4 萬公里后，在近地點(diǎn)高度200 公里的地火轉(zhuǎn)移軌道上，器箭解鎖，探測(cè)器與火箭分別，獨(dú)自前行。如果一切順利，它會(huì)在2021年5月降落在那顆人類好奇已久的紅色星球上。

月球與地球的距離在36 萬公里～40 萬公里之間，而火星與地球的距離在5600 萬公里～4 億公里之間變化，地火最遠(yuǎn)距離約為地月距離的1000 倍。相比月球探測(cè)，火星探測(cè)具有發(fā)射窗口少、火箭推力要求高、飛行時(shí)間長、測(cè)控通信困難、著陸困難等特點(diǎn)。這使得人類的火星探測(cè)之路充滿坎坷，大約2/3 的探測(cè)器，特別是早期發(fā)射的探測(cè)器未能成功完成使命，火星因此也被稱為“航天器墳場(chǎng)”。

讓人期待的奔火之路，實(shí)則步步驚心。

從海南文昌起飛到著陸火星烏托邦平原，太空中有著無數(shù)雄關(guān)漫道……

拼接而成的地火轉(zhuǎn)移“高速公路”

去遙遠(yuǎn)的火星，探測(cè)器需要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的軌道轉(zhuǎn)移，因?yàn)樗S身攜帶的燃料非常寶貴。在理想日心二體模型下，霍曼橢圓過渡軌道是從地球到火星最省燃料的轉(zhuǎn)移軌道，但在具體任務(wù)中，受地球、火星、太陽三者的相對(duì)位置關(guān)系及地球、火星運(yùn)行規(guī)律的影響，還必須考慮光照、測(cè)控條件、飛行時(shí)間等工程約束來最終確定發(fā)射窗口。

目前最先進(jìn)的探測(cè)器從地球飛到火星，大約需要六七個(gè)月。地球和火星的會(huì)合周期是26 個(gè)月，即兩顆行星每隔26 個(gè)月接近一次，出現(xiàn)一次“寶貴”的火星探測(cè)發(fā)射窗口期。今年正好是火星探測(cè)活動(dòng)的窗口期。

此次長征五號(hào)火箭發(fā)射天問一號(hào)火星探測(cè)器，火箭與探測(cè)器兩大系統(tǒng)均由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制，設(shè)計(jì)師們通過軌道拼接的方法，讓探測(cè)器從地球發(fā)射、繞太陽飛行和飛抵火星的軌道，在不同的天體引力范圍邊界處銜接起來，形成從地球發(fā)射到火星環(huán)繞的完整連續(xù)軌道，又稱地球—火星轉(zhuǎn)移軌道。

火星探測(cè)器由著陸巡視器和環(huán)繞器組成，著陸巡視器包括進(jìn)入艙和火星車，由著陸緩沖、GNC、傘系減速、火星車結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、有效載荷等分系統(tǒng)組成，環(huán)繞器由GNC、太陽翼、推進(jìn)、有效載荷等分系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)將密切配合，讓探測(cè)器在地面飛控人員的幫助下，開展奔火飛行。

被火星引力場(chǎng)捕獲

地火轉(zhuǎn)移軌道如同一條長途高速公路，探測(cè)器以第二宇宙速度在這條高速路上全速前進(jìn)約7 個(gè)月，直到火星出現(xiàn)在眼前。

探測(cè)器在經(jīng)過長途飛行后，如何成功被火星的引力場(chǎng)捕獲，是這次探火任務(wù)的關(guān)鍵難點(diǎn)之一?！安槐徊东@，探測(cè)器就飛過去了，所以這個(gè)捕獲很關(guān)鍵。”航天科技集團(tuán)科技委主任包為民院士說。

探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道飛行期間，需要經(jīng)過4 次中途修正和一次深空機(jī)動(dòng)，在臨近火星時(shí)“剎車”減速，預(yù)計(jì)2021年2月中旬被火星引力場(chǎng)捕獲。

由于探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道上的長時(shí)間無動(dòng)力飛行，微小位置速度誤差會(huì)逐漸累計(jì)和放大，所以必須在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行中途軌道修正，以保證探測(cè)器最終能夠準(zhǔn)確進(jìn)入制動(dòng)捕獲的軌道窗口，這需要GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）分系統(tǒng)完成精確的飛行軌道計(jì)算和中途修正控制。

天問一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)需要選擇合適的制動(dòng)捕獲策略，因?yàn)轱w往火星的制動(dòng)捕獲機(jī)會(huì)只有一次，唯有準(zhǔn)確、可靠地完成既定控制指令的執(zhí)行，才能使探測(cè)器形成環(huán)繞火星飛行的狀態(tài)。

假如捕獲失敗，探測(cè)器將與火星擦肩而過。

“剎車”進(jìn)入火星停泊軌道

順利被火星引力場(chǎng)捕獲后的探測(cè)器，需要通過“剎車”降軌，進(jìn)入火星停泊軌道。

首先探測(cè)器會(huì)進(jìn)行近火點(diǎn)制動(dòng)，進(jìn)入周期約10 個(gè)地球日的火星捕獲軌道。這是一條環(huán)繞火星的大橢圓軌道，在這條軌道上，探測(cè)器距離地球約1.92億公里，和地球的數(shù)據(jù)傳輸單程時(shí)延10 分鐘左右。之后，探測(cè)器降軌進(jìn)入軌道周期約2 個(gè)火星日的火星停泊軌道，開展對(duì)著陸區(qū)的預(yù)先探測(cè)。

在進(jìn)行科學(xué)與工程的權(quán)衡之后，本著工程實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)低、科學(xué)探測(cè)價(jià)值高的原則，天問一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)的首選著陸點(diǎn)位于火星烏托邦平原南端，屬于赫斯伯利亞紀(jì)晚期的低地單元（東經(jīng)110.318 度，北緯24.748 度）。

探測(cè)器預(yù)計(jì)在火星停泊軌道上飛行近3 個(gè)月，一次次從烏托邦平原上空掠過，觀察著陸點(diǎn)并對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行預(yù)先探測(cè)，等待進(jìn)入火星窗口來臨的那一刻，擇機(jī)釋放著陸巡視器。

天問一號(hào)探測(cè)器是由環(huán)繞器和著陸巡視器上下串聯(lián)組成的。其中，環(huán)繞器有一對(duì)張開的太陽翼“翅膀”，外形像一顆衛(wèi)星，兼具遙感探測(cè)和中繼通信功能；進(jìn)入艙外形像一個(gè)鐘罩，也像載人飛船返回艙；藏在進(jìn)入艙里面的火星車則是箱板式“蝶”形構(gòu)型，兩側(cè)的4 塊太陽能電池板展開后，如蝴蝶舒展翅膀。

環(huán)繞器和著陸巡視器一旦分離，意味著難度最大、也是最危險(xiǎn)的火星著陸環(huán)節(jié)即將到來。

環(huán)繞器的兩次“變身”

環(huán)繞器和著陸巡視器的分離過程并不簡單。探測(cè)器將在飛抵近火點(diǎn)前約5小時(shí)的時(shí)候?qū)嵤┙弟墸徊讲娇拷鹦?；降軌后約2 小時(shí)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。屆時(shí)探測(cè)器距離地球約3 億公里，和地球數(shù)據(jù)傳輸單程時(shí)延近20 分鐘。

然后，兩器都將依靠GNC 分系統(tǒng)，上演一系列太空芭蕾般的動(dòng)作。環(huán)繞器需要迅速升軌，返回到火星停泊軌道，以避免撞向火星；著陸巡視器則采用“彈道-升力式”進(jìn)入火星大氣層，再經(jīng)過減速，軟著陸火星。

這次分離并不是永別，接下來兩器還要默契協(xié)作。環(huán)繞器在火星停泊軌道上飛行1 圈后會(huì)“剎車”進(jìn)入軌道周期約8 小時(shí)的中繼通信軌道。在這條軌道上，它將化身“中繼通信衛(wèi)星”，為火星車提供中繼通信鏈路，幫助它與地球搭建通信橋梁，同時(shí)兼顧開展科學(xué)探測(cè)。

火星表面巡視探測(cè)任務(wù)結(jié)束后，環(huán)繞器將降軌到橢圓形的遙感使命軌道，又變身為“遙感衛(wèi)星”，繞火星飛行約1 個(gè)火星年，完成火星全球遙感探測(cè)任務(wù)，同時(shí)兼顧火星車中繼通信。

因?yàn)樘綔y(cè)器距離地球遙遠(yuǎn)，飛行時(shí)間長，同時(shí)受地球、火星、探測(cè)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)和地面測(cè)控站分布的影響，測(cè)控通信難以全空間覆蓋。距離遙遠(yuǎn)，導(dǎo)致測(cè)控信號(hào)傳輸時(shí)延大，單程時(shí)延最長約23 分鐘。

信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)化成熱能或者被傳輸介質(zhì)吸收，從而造成信號(hào)強(qiáng)度不斷減弱，這種現(xiàn)象稱為衰減。相比月球，火星和地球間的信號(hào)衰減更嚴(yán)重，測(cè)控及數(shù)據(jù)傳輸碼速率低于月球探測(cè)1～2個(gè)量級(jí)以上。

在執(zhí)行近火捕獲、兩器分離等決定任務(wù)成敗且只有一次機(jī)會(huì)的軌道控制任務(wù)時(shí)，探測(cè)器信號(hào)單程時(shí)延10 分鐘以上，地面無法實(shí)時(shí)測(cè)控干預(yù)，探測(cè)器只能自主執(zhí)行預(yù)先注入的指令，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行自我診斷，排除故障。

這一路闖關(guān)奔火，飛行動(dòng)作環(huán)環(huán)相扣，對(duì)于探測(cè)器自主能力的考驗(yàn)是空前的。

險(xiǎn)象環(huán)生的EDL 過程

重約1.3 噸的著陸巡視器從進(jìn)入火星大氣層到降落到火星表面，整個(gè)過程大約只有9 分鐘，時(shí)間很短，卻是整個(gè)飛行任務(wù)中的壓軸難題。過去的人類火星探測(cè)任務(wù)中，共有17 次嘗試著陸火星，只有8 次成功（均由美國實(shí)施），成功率47.1%。

著陸巡視器在奔火途中一直處于高速飛行狀態(tài)，所以軟著陸火星的進(jìn)入、下降、著陸過程（又稱“EDL”），需要經(jīng)歷氣動(dòng)減速、傘系減速、動(dòng)力減速、著陸緩沖4 個(gè)階段，逐步減速。在大約9 分鐘的時(shí)間里，著陸巡視器要執(zhí)行升力控制、彈傘開傘、拋大底、拋背罩、懸停、避障和著陸緩沖等一系列動(dòng)作，時(shí)間短、動(dòng)作多，地球上的飛控人員無法實(shí)時(shí)干預(yù)，航天器只能通過預(yù)先注入的指令自主進(jìn)行導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

EDL 過程中面臨的火星環(huán)境存在較大不確定性，相比月面軟著陸更為困難：一是在進(jìn)入火星大氣層初期，著陸巡視器的初始狀態(tài)（軌道、姿態(tài)）存在一定的不確定性；二是在下降和著陸過程中，存在風(fēng)和沙塵的干擾；三是由于缺乏著陸點(diǎn)地形細(xì)節(jié)的高分辨率圖像，著陸敏感器的測(cè)量結(jié)果存在很大的不確定性。所以此次增加了氣動(dòng)減速和傘系減速的環(huán)節(jié)，對(duì)航天器的導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制提出了更高要求，控制環(huán)節(jié)更為復(fù)雜。

包為民介紹，我國以探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，著陸巡視器從4.8公里/秒的速度，到軟著陸速度降為0，這個(gè)過程中包含4 個(gè)減速段。

第一個(gè)是氣動(dòng)減速段，把速度從4.8公里/秒減速到460 米/秒，相當(dāng)于來了一個(gè)急剎車?；鹦谴髿獾某煞帧⒚芏?、分布等與地球截然不同，航天科技集團(tuán)的研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量風(fēng)洞試驗(yàn)，開展著陸巡視器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化、火星大氣進(jìn)入氣動(dòng)力和熱特性預(yù)測(cè)算法研究等工作，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

接下來是傘系減速階段。著陸巡視器將在約11 公里的高度打開降落傘，進(jìn)一步將下降速度減小到約95米/秒，并完成拋大底、著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開、拋背罩等動(dòng)作。著陸緩沖機(jī)構(gòu)展開，猶如伸開四條腿，做好降落準(zhǔn)備。

因?yàn)榛鹦谴髿庀”?，大氣密度又極低，需要著陸巡視器在超音速條件下開傘。降落傘設(shè)計(jì)的約束條件，與地球返回式衛(wèi)星和載人航天工程采用的降落傘截然不同。所以，火星降落傘要全新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。為此，航天科技集團(tuán)的研制團(tuán)隊(duì)開展技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行了火箭彈高空開傘試驗(yàn)等大量驗(yàn)證試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了適合火星大氣環(huán)境的降落傘。

隨后進(jìn)入到動(dòng)力減速段。著陸巡視器上的7500牛反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，將著陸前的垂直速度降到約1.5 米/秒。包為民介紹，“在100 米的高度要完成一個(gè)懸停避障的動(dòng)作。這個(gè)時(shí)候已經(jīng)速度很慢了，懸停時(shí)，著陸巡視器相對(duì)于地面的速度就是0 了?！?/p>

最后在著陸緩沖階段，依靠4 套著陸緩沖機(jī)構(gòu)完成軟著陸。

此前，我國在河北懷來的亞洲最大地外天體著陸綜合試驗(yàn)場(chǎng)開展著陸器懸停避障試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M了火星重力環(huán)境（火星重力加速度約為地球的1/3）和著陸巡視器在火星環(huán)境下懸停、避障、緩速下降的過程。通過懸停在空中，著陸巡視器可對(duì)火星表面進(jìn)行觀察，為選定著陸點(diǎn)做最后的準(zhǔn)備?！?00 米的高度已經(jīng)比較低了，可以看一下地面有沒有坑，大的石頭，有的話就避開它?！卑鼮槊裾f。

這就如同體操選手在空中完成令人眼花繚亂的高難度系數(shù)動(dòng)作之后，必須穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)芈涞?，才能拿到高分?/p>

預(yù)計(jì)著陸后的第八個(gè)火星日，中國首輛火星車將緩緩駛下著陸平臺(tái)，在烏托邦平原上軋下第一道印記。