大國(guó)之間的科技角逐？凝聚著無(wú)數(shù)科研心血的“天問(wèn)一號(hào)”不負(fù)眾望

極客網(wǎng)·極客觀察7月29日（文/慕遠(yuǎn)|編輯/水木）大鵬一日同風(fēng)起，扶搖直上九萬(wàn)里。

長(zhǎng)征御天問(wèn)，九州探穹宇！7月23日12時(shí)41分，中國(guó)海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭搭載著“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器點(diǎn)火升空，經(jīng)歷半個(gè)多小時(shí)后，探測(cè)器與火箭在距離地面600多公里的太空中分離，成功進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道。此后，天問(wèn)一號(hào)還要經(jīng)過(guò)一段漫長(zhǎng)的太空遨游，直至火星著陸后成功完成我國(guó)首次自主探索火星的任務(wù)。

天問(wèn)一號(hào)如何探測(cè)火星？

天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器分為環(huán)繞器與著陸巡視器兩部分，而著陸巡視器又由著陸平臺(tái)和火星車組成，天問(wèn)一號(hào)的總重量接近5噸，是我國(guó)迄今為止發(fā)射的最重的深空探測(cè)器。雖然“胖五”長(zhǎng)征號(hào)火箭很給力，但天問(wèn)一號(hào)除了火箭發(fā)射外，還要經(jīng)歷地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、離軌著陸、中繼通信及科學(xué)探測(cè)五個(gè)階段，“跋涉”全程超過(guò)了4億公里，期間還會(huì)面臨諸多考驗(yàn)。

天問(wèn)一號(hào)搭載有13個(gè)有效載荷，其中火星車攜帶6臺(tái)科學(xué)儀器、環(huán)繞器攜帶7臺(tái)，這些儀器包括太陽(yáng)能電池板、全景相機(jī)、多光譜相機(jī)、探測(cè)雷達(dá)、磁場(chǎng)探測(cè)儀和氣象測(cè)量?jī)x等，天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器擔(dān)負(fù)的五大任務(wù)目標(biāo)是：火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星表面物質(zhì)組成、火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星土壤特征與水冰分布、火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭把天問(wèn)一號(hào)送入地火轉(zhuǎn)移軌道后，大概明年2月初到達(dá)火星，天空一號(hào)探測(cè)器依托于地面測(cè)控系統(tǒng)的支持，會(huì)經(jīng)過(guò)4-5次中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)修正飛行路徑，逐漸飛近火星，進(jìn)入火星捕獲段。然后探測(cè)器會(huì)在停泊軌道運(yùn)行約75天，期間，會(huì)開(kāi)展數(shù)次預(yù)著陸區(qū)成像探測(cè)，得到的數(shù)據(jù)將傳送到地面，探測(cè)到滿足的著陸條件后，探測(cè)器會(huì)在適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)入火星進(jìn)入軌道，作分離環(huán)繞器與著陸巡視器的最后準(zhǔn)備。

分離結(jié)束后，著陸巡視器進(jìn)行火星大氣進(jìn)入段的飛行，著陸平臺(tái)載著火星車進(jìn)入大氣，減速、下降、落在火星表面上，火星車駛離著陸平臺(tái)，開(kāi)展為期約90天的巡視探測(cè)。

環(huán)繞器與著陸巡視器分離后，返回到停泊軌道，在停泊軌道上，環(huán)繞器將再次進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入中繼軌道，開(kāi)始執(zhí)行與著陸巡視器為期3個(gè)月的中繼通信任務(wù)，擔(dān)任地球與著陸巡視器之間溝通的橋梁。完成中繼通信任務(wù)后，環(huán)繞器在近火點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)降軌，進(jìn)入科學(xué)探測(cè)軌道，并在該軌道上繼續(xù)運(yùn)行1個(gè)火星年，執(zhí)行火星全球遙感探測(cè)任務(wù)。

按照計(jì)劃，”天問(wèn)一號(hào)“倘若通過(guò)一次發(fā)射就成功實(shí)現(xiàn)火星的環(huán)繞、著陸和巡視任務(wù)，中國(guó)將成為除美國(guó)之外，世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握此技術(shù)的國(guó)家，不得不提的是，雖然我國(guó)此次的火星探測(cè)任務(wù)經(jīng)過(guò)了反復(fù)的科學(xué)論證和復(fù)雜的技術(shù)考量，但探索途中仍然需要面對(duì)不少風(fēng)險(xiǎn)。

擔(dān)起重任的“天問(wèn)一號(hào)” 勇闖難關(guān)

截止目前，有公開(kāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：人類探火的完全成功率約為42%，概率比難度極大的探月任務(wù)53%的成功率還要低。

火星捕獲是火星探測(cè)任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)之一，之所以說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)高，不僅因?yàn)榛鹦遣东@窗口的唯一性，還與探測(cè)器采取制動(dòng)的時(shí)間早晚有關(guān)，制動(dòng)偏早，探測(cè)器因降速過(guò)低可能會(huì)墜入大氣層撞擊火星，制動(dòng)過(guò)晚，探測(cè)器就不能被火星引力捕獲，從而飛到更遠(yuǎn)的深空，很難再回到火星。

所以探測(cè)器在近火捕獲前，需要由地面對(duì)其進(jìn)行精確的無(wú)線電測(cè)軌，認(rèn)真分析從探測(cè)器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器中獲得的導(dǎo)航信息，得到探測(cè)器和火星的精確位置后，再在恰當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，確保探測(cè)器可以成功進(jìn)入環(huán)火軌道，還有，除了靠地面合作外，火星探測(cè)器還應(yīng)具備自主應(yīng)對(duì)突發(fā)故障的能力，進(jìn)一步為環(huán)火軌道捕獲過(guò)程保駕護(hù)航。

在整個(gè)任務(wù)中，“天問(wèn)一號(hào)”的著陸器登陸火星表面是最讓人期待的環(huán)節(jié)之一，同樣也是難度最高的任務(wù)之一。要想成功著陸，著陸器要穿越火星稀薄的大氣層，將與火星的相對(duì)速度從每秒4.8公里降至零。雖然該過(guò)程用時(shí)只有七八分鐘，可因?yàn)殡姶判盘?hào)被完全屏蔽，整個(gè)過(guò)程都要靠著陸器自主控制完成，著陸器需要根據(jù)速度、加速度、與火星表面的距離等情況，做出一系列自主正確的判斷。

上文提到，天問(wèn)一號(hào)將在明年2月初到達(dá)火星， 那時(shí)與地球間的距離將達(dá)到1.9億公里，更遠(yuǎn)的距離造成更大的信號(hào)衰減，兩邊的信號(hào)接收都會(huì)更加困難，還會(huì)產(chǎn)生10分鐘左右的延時(shí)，地面無(wú)法實(shí)時(shí)快速地給探測(cè)器的動(dòng)作發(fā)出指令，測(cè)控通信系統(tǒng)面臨著巨大的考驗(yàn)。

不過(guò)令人感到鼓舞的是，中國(guó)早前已基本建成了兼具S/X/Ka多頻段測(cè)控能力，集測(cè)控、數(shù)傳和長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等多種功能于一體的深空測(cè)控網(wǎng)，對(duì)深空航天器的測(cè)控覆蓋率提高到了90%以上，綜合水平處于世界前列。此次“探火”任務(wù)，在探測(cè)器進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道后，由佳木斯深空站、喀什深空站、阿根廷深空站（中國(guó)海外首個(gè)深空站）組成的中國(guó)深空測(cè)控網(wǎng)成功得到了探測(cè)器地火轉(zhuǎn)移段首個(gè)圈次的測(cè)控信息。

負(fù)責(zé)運(yùn)行管理三大深空站的是西安衛(wèi)星測(cè)控中心，此前它對(duì)三大深空站的對(duì)頻率綜合系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶、監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)備軟硬件進(jìn)行了非?？茖W(xué)細(xì)致的優(yōu)化升級(jí)，以便為執(zhí)行探測(cè)任務(wù)提供更為穩(wěn)定強(qiáng)大的測(cè)控保障。三大深空測(cè)控站點(diǎn)在各自測(cè)控弧段內(nèi)會(huì)持續(xù)接收、記錄探測(cè)器遙測(cè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)探測(cè)器精確實(shí)施測(cè)軌和上行遙控。

“探火”很難 為什么一定要去？

在太陽(yáng)系八大行星中，火星與地球的“血緣關(guān)系”最為接近，兩者都形成于約45億年前，有著相似的自轉(zhuǎn)周期，火星的自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)39分鐘，它還和地球一樣有著四季更迭，兩者組成結(jié)構(gòu)也大致相同，有核、幔、殼。以往探測(cè)資料表明，火星表面的土壤富含氧化鐵，而這種土壤的形成，是風(fēng)與水雙重侵蝕作用產(chǎn)生的，據(jù)此可以推測(cè)，火星上應(yīng)該存在過(guò)或者存在有大量的水和大氣，雖然尚未在火星上發(fā)現(xiàn)過(guò)真正的生命痕跡，但結(jié)論是火星確實(shí)有生命形成或存在的一些條件。此外，火星的表面溫度大約在零下133攝氏度到零上27攝氏度之間，還擁有高山、平原和峽谷等多種地形，種種現(xiàn)象促使人們生出了疑問(wèn)和假想：火星是地球的過(guò)往，還是我們未來(lái)的歸宿？

縱使探測(cè)火星遠(yuǎn)比探測(cè)月球復(fù)雜困難，我國(guó)還是義無(wú)反顧地借“天問(wèn)一號(hào)”開(kāi)啟了火星探測(cè)之旅，因?yàn)檠芯炕鹦堑沫h(huán)境變化可以對(duì)地球環(huán)境的保護(hù)帶來(lái)一定程度的指導(dǎo)意義，對(duì)太陽(yáng)系起源及演化、甚至是生命起源及演化等重大科學(xué)問(wèn)題也具有重要意義。

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