中國(guó)首次自主火星探測(cè)任務(wù)“觀賞指南”

胡喆 張建松 周旋

世界首次一步實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)“繞、著、巡”，最遠(yuǎn)距離達(dá)4億公里如何實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離深空通信？火星探測(cè)器發(fā)射后將經(jīng)歷怎樣的歷程到達(dá)火星？我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器成功在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，記者為您梳理了一份此次火星探測(cè)的“觀賞指南”。

世界首次：一步實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”

火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測(cè)的首選目標(biāo)。目前，人類已對(duì)火星實(shí)施了44次探測(cè)任務(wù)，其中成功了24次，火星是目前人類認(rèn)識(shí)最深入的行星之一。

通過以往對(duì)火星的探測(cè)，人們?cè)诨鹦巧习l(fā)現(xiàn)了存在水的證據(jù)?；鹦巧鲜欠翊嬖谠杏臈l件以及火星是地球的過去還是未來？這些問題一直縈繞在科學(xué)家心頭，成為火星研究的重大科學(xué)問題。

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)憑借火星環(huán)繞器和著陸巡視器的超強(qiáng)陣容，可一步實(shí)現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)，這是其他國(guó)家在首次實(shí)施火星探測(cè)任務(wù)時(shí)從未實(shí)現(xiàn)過的。

相比月球探測(cè)，火星探測(cè)任務(wù)的難度更大。由于火星相對(duì)地球距離較為遙遠(yuǎn)，對(duì)發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)領(lǐng)域都提出了很高的要求。

中國(guó)航天科技集團(tuán)八院“天問一號(hào)”探測(cè)器系統(tǒng)副總師兼環(huán)繞器總設(shè)計(jì)師王獻(xiàn)忠介紹，研制團(tuán)隊(duì)不僅攻克了火星制動(dòng)捕獲、長(zhǎng)期自主管理等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，更實(shí)現(xiàn)了地火間的超遠(yuǎn)距離測(cè)控通信，并將通過環(huán)繞探測(cè)實(shí)現(xiàn)火星全球性、綜合性探測(cè)，完成火星表面重點(diǎn)地區(qū)高精度、高分辨率精細(xì)詳查。

臨門一腳：制動(dòng)捕獲“踩剎車”

火星捕獲是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，在火星探測(cè)器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲的機(jī)會(huì)只有一次。利用火箭助推，探測(cè)器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)移軌道，探測(cè)器能夠最終順利抵達(dá)火星附近。

然而，受限于攜帶的推進(jìn)劑有限，環(huán)繞器在抵達(dá)火星后，必須把握住唯一的機(jī)會(huì)對(duì)火星進(jìn)行制動(dòng)捕獲。此次火星探測(cè)任務(wù)捕獲時(shí)探測(cè)器距離火星僅400公里，而此時(shí)探測(cè)器相對(duì)火星的速度高達(dá)4到5公里每秒，一不留神就會(huì)撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測(cè)任務(wù)成敗的關(guān)鍵。

在這一制動(dòng)捕獲過程中，火星環(huán)繞器面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲時(shí)探測(cè)器距離地球1.93億公里，單向通信時(shí)延達(dá)到10.7分鐘，地面無法對(duì)這一制動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，只能依靠探測(cè)器自主執(zhí)行捕獲策略。此外，在制動(dòng)過程中，環(huán)繞器需要在自身出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)自主完成相應(yīng)處理，最大限度保證火星捕獲成功。

首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)言人、國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰介紹，捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動(dòng)，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過長(zhǎng)，探測(cè)器速度下降過多，探測(cè)器就會(huì)一頭撞上火星，如果制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間過短，探測(cè)器速度過快，就會(huì)飛離火星從而無法進(jìn)入環(huán)繞軌道，這對(duì)環(huán)繞器的自主導(dǎo)航與控制提出了極高要求。

4億公里：超遠(yuǎn)距離深空通信

環(huán)火飛行階段，由于地球和火星的運(yùn)行規(guī)律，探測(cè)器距離地球最遠(yuǎn)達(dá)到4億公里。為了解決超遠(yuǎn)距離通信問題，火星環(huán)繞器裝備了測(cè)控?cái)?shù)傳一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標(biāo)。

為補(bǔ)償空間衰減，火星環(huán)繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅(qū)動(dòng)的定向天線，大幅度提高探測(cè)器到地球通信能力。

自主管理：探測(cè)火星需要會(huì)思考的“大腦”

通常情況下，環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星都是由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制的。但火星環(huán)繞器由于探測(cè)器到地球的距離遠(yuǎn)，通信延時(shí)大，無法完全依靠地面指令對(duì)星上出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

此外，環(huán)繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導(dǎo)致通信中斷（“日凌”）的時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)30天，期間需依靠自身完成長(zhǎng)期任務(wù)管理，并在出“日凌”后及時(shí)調(diào)整天線指向，迅速重新與地面建立聯(lián)系。

據(jù)悉，在此次火星探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，自主管理同樣需要發(fā)揮巨大作用。在火星探測(cè)器進(jìn)行環(huán)繞器與著陸巡視器分離時(shí)，環(huán)繞器需在短時(shí)間內(nèi)完成3次調(diào)姿和2次變軌，對(duì)姿態(tài)及位置測(cè)量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統(tǒng)，火星環(huán)繞器才能夠精準(zhǔn)、及時(shí)地完成與著陸巡視器的分離。

多樣載荷：給火星拍個(gè)“中式定妝照”

此次火星環(huán)繞器上共搭載7種有效載荷，可對(duì)地火轉(zhuǎn)移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學(xué)探測(cè)，獲取行星際射電頻譜數(shù)據(jù)、火星表面圖像、火星地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌、火星表層結(jié)構(gòu)和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場(chǎng)環(huán)境、近火星空間環(huán)境和地火轉(zhuǎn)移軌道能量粒子特征及其變化規(guī)律。

其中中分辨率相機(jī)可對(duì)火星全球開展地形地貌普查，高分辨率相機(jī)可對(duì)火星重點(diǎn)地區(qū)開展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國(guó)的“定妝照”。