刚刚！“天问一号”飞行4.7亿公里成功入火星轨道，专家解读难度有多大？
“天问一号”火星探测器驶离地球，奔向火星，示意图来自国家航天局
撰文 | 庞之浩（全国空间探测技术首席科学传播专家）
责编 | 叶水送
2月10日晚间，在浩瀚无垠的宇宙中飞行了202天后，“天问一号”终于进入火星轨道。
央视新闻刚刚公布的信息
2020年7月23日，火星探测器“天问一号”在海南文昌发射场众人的欢呼和期待声中，缓缓上升，奔向火星。在飞行4.7亿公里后，今天它终于进入了火星轨道，目前它与我们的距离约为1.9亿公里。
在这期间，“天问一号”完成了地月合照、探测器“自拍”、3次在轨自检、4次中途修正和1次深空机动等任务。今天“天问一号”实施近火制动，俗称“刹车”减速，从而被火星捕获，进入环火星飞行的轨道。
接下来，“天问一号”通过环绕火星，在着陆区上空对着陆区开展探测，为5月份着陆巡航器着陆火星做准备。
一举三得的火星探测计划
“天问一号”火星探测任务是中国国家航天局第一个火星探测计划，于2016年1月11日正式立项，2020年4月24日被正式命名为“天问一号”，是中国行星探测工程的首次任务，它将深化中国人对火星乃至太阳系的科学认知，推进比较行星学等重大问题研究。
“天问一号”将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务，用环绕器对火星开展全球性、综合性的环绕探测，用巡视器对有科研价值的局部地区开展高精度、高分辨率的详细调查。这在人类火星探测史上是前所未有的。
采用这种“一举三得”的探火方式，起点高，效益高，但挑战大。如果成功了，可使我国深空探测能力和水平实现跨越式发展，成为世界第三个在火星着陆的国家，第二个在火星巡视的国家。从科学上讲，“天问一号”是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务，这有利于建立起对火星全面而基础的认识。
“天问一号”火星探测器进行热试验（来源：中国航天科技集团）
2020年7月23日，我国用“长征五号”遥四运载火箭发射了我国首个火星探测器。这是长征五号系列运载火箭首次应用性发射，把探测器直接送入了地火转移轨道。
“天问一号”于2021年2月10日左右到达火星轨道，最后，“天问一号”的着陆巡视器将在探测器进入火星轨道约3个月后，在火星表面进行软着陆，候选着陆点为火星北半球的乌托邦平原（utopia planitia）。
“天问一号”的两大目标
“天问一号”的工程目标是：
突破火星制动捕获、进入/下降/着陆（edl）、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等，实现火星环绕探测和巡视探测；获取火星探测科学数据，实现我国在深空探测领域的技术跨越。
至于“天问一号”的科学目标，总结起来有五个：
一是研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区的高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究，绘制火星形态和地质结构图。
二是调查火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。
中国火星探测任务
三是分析火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析。
四是测量火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。
五是探索火星物理场（电磁场、引力场）与内部结构，探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。
“天问一号”研制团队摆字
中国火星探测的两大利器
我国首次火星探测任务由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。其中，“天问一号”火星探测器由环绕器、着陆巡视器（包括进入舱和火星车）组成，总质量约5吨（含燃料）。
“天问一号”全貌（来源：网络）
“天问一号”由环绕器和着陆巡视器组成示意图（来源：网络）
重3.6吨左右（燃料重量占总重的大部分）的环绕器，设计寿命1个火星年（687个地球日），采用“外部六面柱体 中心承力锥筒”构型，能满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求。
环绕器主要完成地火转移、火星制动捕获和轨道调整等任务，为火星车提供3个月的中继支持服务，通过携带的科学载荷对火星开展约一个火星年的科学探测，实现对火星全球普查和局部详查。
它具备三大功能：飞行器、通信器和探测器；需克服飞行时间长，面临环境差，控制要求高，空间动作繁四大困难；涉及五个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测。
地火转移段：环绕器在完成4次中途修正和一次深空机动修正飞行路径，探测器飞过超过4亿千米的路径后，逐渐飞近火星。
火星捕获段：发射约200天后，探测器被火星捕获，此时距离地球近1.93亿公里，通信时延约11分钟：
环绕器及其高分辨率相机（来源：网络）
离轨着陆段：进入捕获轨道后，环绕器将调整至停泊轨道，并将择机降轨释放着陆巡视器，分离了着陆巡视器后环绕器再抬轨回到停泊轨道。
中继通信段：接着，环绕器将再次进入中继轨道，为地球与着陆器提供为期3个月的中继通信服务，为它们搭建起沟通的桥梁。
科学探测段：中继任务结束后，环绕器将再次进行降轨进入科学探测轨道，对火星轨道空间、火星表面开展科学探测。
其主要科学任务：拍摄中国首张火星全图；探测火星土壤类型分布和结构，探测火星表面和地下水冰；探测火星地形地貌特征及其变化；调查和分析火星表面物质成分；分析火星大气电离层并探测行星际环境。
为此，环绕器携带了7台科学仪器：
（1）中分辨率相机，用于获取火星全球遥感影像图。
（2）高分辨率相机，用于对着陆区和高科学价值区域成像。
“天问一号”环绕器搭载的高分相机，来自网络
（3）次表层雷达，用于开展火星表面次表层结构、极地区冰层探测。
（4）矿物光谱分析仪，用于探测火星表面的矿物种类、含量和空间分布情况。
（5）磁强计，用于探测火星空间磁场环境。
（6）离子与中性粒子分析仪，用于对太阳风以及火星空间离子和中性粒子的能量、通量和成分进行测量。
（7）能量粒子分析仪，用于获取火星空间环境中能量粒子的能谱通量和元素成分数据。
中国首辆火星车约240千克，质量几乎是玉兔号月球车的两倍，用于在着陆区开展巡视探测，设计工作寿命3个火星月（92个地球日）。
其主要科学任务：探测火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型；探测火星巡视区土壤结构并探查水冰；探测火星巡视区大气物理特征与表面环境，探测火星巡视区形貌和地质构造。
着陆巡视器由进入舱和火星车组成示意图
为此，火星车携带6台科学仪器：
（1）导航/地形相机，用于为火星车提供导航和定位依据，获取着陆区及巡视区高分辨率三维图像。
（2）多光谱相机，用于探测火星表面物质类型分布，获取巡视区可见、近红外波段的图像。
火星车携带的几种主要科学有效载荷
（3）次表层雷达，用于探测巡视区次表层地质结构。
（4）表面成分探测仪，用于获取紫外至近红外谱段的高分辨率的光谱特征信息。
（5）表面磁场探测仪，用于探测巡视区局部磁场。
（6）气象测量仪，用于探测巡视区环境气温等气象环境。
它们可以与火星上空运行的轨道器进行天地联合探测，可实现对火星大气、电离层、磁场的全面探测。
另外，我国第一辆火星车名字将从弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、风火轮、追梦、天行和星火这10个征名中产生。
中国火星车与着陆器示意图（来源：国家航天局）
火星探测到底有多难？
“天问一号”探测任务飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测六个阶段。具体实施步骤如下：
（1）“天问一号”探测器在海南文昌航天发射场，采用长征五号遥四运载火箭，将“天问一号”送入地火转移轨道。
（2）器箭分离后，探测器上的太阳电池翼和定向天线相继展开，在测控系统支持下飞往火星，约7个月后抵达。为了精确飞向火星，其间进行1次深空机动和4次中途修正。中途修正一般是指在探测器飞行过程中，对各种原因导致的轨道偏离进行修正，使探测器更贴近理论轨道飞行。
2020年7月27日，“天问一号”在飞离地球约120万公里处，利用光学导航敏感器拍摄的黑白地月合影（来源：国家航天局）
2020年8月2日7时整，“天问一号”在距地球300万公里时，其上3000牛发动机工作20秒，完成第一次轨道中途修正，并在轨检验了3000牛发动机性能。
距离地球约300万公里，“天问一号”完成首次轨道修正（来源：国家航天局）
2020年9月20日23时，“天问一号”在距离地球约1900万公里，飞行路程约1.6亿公里时，其上4台120牛发动机同时点火工作20秒，完成第二次轨道中途修正，并在轨验证了120牛发动机的实际性能。
2020年9月20日，“天问一号”完成第二次轨道中途修正，4台120牛发动机点火推进20秒，图片来自网络
2020年10月1日，国家航天局发布“天问一号”的自拍像。由于本身个头大，如用自拍杆，需要一个15米的自拍杆才能自拍全貌，不仅资源消耗大，而且容易产生安全隐患。所以，我国采用了“分离式监测方案”，即用一套由多个“小质量、小个头、小能耗”传感器组成的监测系统，可在合适的光照条件下“抛”出一个轻型相机对“天问一号”进行拍摄，并实时把图像传到探测器上。
“天问一号”自拍（来源：国家航天局）
2020年10月9日23时，“天问一号”上的3000牛主发动机再次点火工作480秒，顺利完成深空机动，改变了探测器原有的飞行速度和方向，使其能够沿着变轨后的轨道顺利飞行至火星。
探测器深空机动轨道示意图（来源：国家航天局）
中途修正是为了减小飞行偏差，使探测器沿着预定的轨道飞行而进行的轨道控制。深空机动是改变探测器当前轨道，使其进入一条新的轨道而进行的轨道控制。执行深空机动是轨道联合优化的结果，能够提升运载火箭的发射能力、增加探测器的发射质量，使探测器可以携带更多的推进剂，更好地完成探测任务。
在次深空机动中，环绕器瞄准的制动捕获时火星的位置距离环绕器约3亿公里远，误差控制约200公里，相当于北京到上海约1200公里距离中瞄准一个直径约0.8米的目标，实际精度优于设计指标。
2020年10月28日22时，“天问一号”上的8台25牛发动机同时点火，完成了第三次轨道中途修正，并在轨检查了25牛发动机的性能，为后续调整飞行姿态而做好准备。
2021年 2月5日20时，“天问一号”上的8台25牛发动机同时点火工作12秒，顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正，以确保按计划实施火星捕获。
此前，“天问一号”在距离火星约220万公里处，获取了首幅火星图像。图中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑，以及火星最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。
“天问一号”首张火星照片（来源：中国航天科技集团）
（3）探测器在即将进入火星轨道，距离地球1.93亿公里，距离火星仅400公里时相对火星的速度为5.3公里/秒，通信单向时延约11分钟。为了被火星引力捕获，进入火星轨道，“天问一号”要调整飞行姿态，将发动机的喷管朝向前方，待到时机恰当时3000牛发动机点火开机，以降低探测器的速度，这一过程将持续约14分钟。制动后环火轨道近火点的速度是4.6公里/秒。仅有一次机会，地面无法对这一制动过程进行实时监控，只能依靠探测器自主执行捕获。
探测器进行制动“刹车”的时机和大小要十分精准，如果制动点火时间过长或过猛，探测器速度下降过多，探测器就会一头撞上火星；如果制动点火时间过短或过轻，探测器飞行速度过快，就会沿抛物线轨迹飞离火星。只有“刹车”时机和时长都分秒不差，才能形成理想的捕获轨道。例如，如果制动点火时间过短，探测器速度过快，就会飞离火星，造成捕获任务失败。
3000牛发动机近火制动示意图（来源：网络）
（4）进入环火轨道后，“天问一号”在近火点离火星约400千米，远火点在180000千米左右的大椭圆轨道绕着火星飞行，在停泊一段时间后调整自身状态，随后再次制动减速，降低飞行高度，最终到达近火点高度265千米，远火点高度14200千米的轨道上，为之后任务中着陆巡航器着陆以及轨道器饶火探测环节做好相应准备。“天问一号”通过约3个月的环绕飞行后首选进入窗口，其间在着陆区上空对着陆区开展探测。
从地球发射到火星环绕的完整连续轨道（来源：中国航天报）
（5）探测器择机实施降轨机动，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信。着陆巡视器进入火星大气，依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作，着陆于火星表面。
（6）着陆后，火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台，开始巡视探测。着陆巡视器安全着陆后，环绕器进入中继轨道，为火星车提供中继通信，兼顾科学探测。火星车完成探测任务后，环绕器进入使命轨道，开展火星全球遥感探测，兼顾火星车扩展任务中继通信。
我国火星着陆区在火星北纬5°～北纬30°。从光照考虑，火星赤道附近好，但地形复杂。另外，由于登陆火星99%以上减速是靠大气，因此着陆点海拔越低减速时间越长，着陆越安全。
着陆巡视器在火星着陆示意图（来源：国家航天局）
最后，在牛年即将来临之际，祝“天问一号”一切顺利，完成预定任务。
参考文献
制版编辑 | morgan
