大国之间的科技角逐？凝聚着无数科研心血的“天问一号”不负众望

·极客观察7月29日（文/慕远|编辑/水木）大鹏一日同风起，扶摇直上九万里。

长征御天问，九州探穹宇！7月23日12时41分，中国海南文昌航天发射场，长征五号遥四运载火箭搭载着“天问一号”火星探测器点火升空，经历半个多小时后，探测器与火箭在距离地面600多公里的太空中分离，成功进入地火转移轨道。此后，天问一号还要经过一段漫长的太空遨游，直至火星着陆后成功完成我国首次自主探索火星的任务。

天问一号如何探测火星？

天问一号火星探测器分为环绕器与着陆巡视器两部分，而着陆巡视器又由着陆平台和火星车组成，天问一号的总重量接近5吨，是我国迄今为止发射的最重的深空探测器。虽然“胖五”长征号火箭很给力，但天问一号除了火箭发射外，还要经历地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信及科学探测五个阶段，“跋涉”全程超过了4亿公里，期间还会面临诸多考验。

天问一号搭载有13个有效载荷，其中火星车携带6台科学仪器、环绕器携带7台，这些仪器包括太阳能电池板、全景相机、多光谱相机、探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪等，天问一号火星探测器担负的五大任务目标是：火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星表面物质组成、火星形貌与地质构造特征、火星土壤特征与水冰分布、火星物理场与内部结构。

长征五号运载火箭把天问一号送入地火转移轨道后，大概明年2月初到达火星，天空一号探测器依托于地面测控系统的支持，会经过4-5次中途修正和1次深空机动修正飞行路径，逐渐飞近火星，进入火星捕获段。然后探测器会在停泊轨道运行约75天，期间，会开展数次预着陆区成像探测，得到的数据将传送到地面，探测到满足的着陆条件后，探测器会在适当时机进入火星进入轨道，作分离环绕器与着陆巡视器的最后准备。

分离结束后，着陆巡视器进行火星大气进入段的飞行，着陆平台载着火星车进入大气，减速、下降、落在火星表面上，火星车驶离着陆平台，开展为期约90天的巡视探测。

环绕器与着陆巡视器分离后，返回到停泊轨道，在停泊轨道上，环绕器将再次进行轨道调整，进入中继轨道，开始执行与着陆巡视器为期3个月的中继通信任务，担任地球与着陆巡视器之间沟通的桥梁。完成中继通信任务后，环绕器在近火点进行制动降轨，进入科学探测轨道，并在该轨道上继续运行1个火星年，执行火星全球遥感探测任务。

按照计划，”天问一号“倘若通过一次发射就成功实现火星的环绕、着陆和巡视任务，中国将成为除美国之外，世界上第二个独立掌握此技术的国家，不得不提的是，虽然我国此次的火星探测任务经过了反复的科学论证和复杂的技术考量，但探索途中仍然需要面对不少风险。

担起重任的“天问一号” 勇闯难关

截止目前，有公开数据统计表明：人类探火的完全成功率约为42%，概率比难度极大的探月任务53%的成功率还要低。

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高的环节之一，之所以说风险高，不仅因为火星捕获窗口的唯一性，还与探测器采取制动的时间早晚有关，制动偏早，探测器因降速过低可能会坠入大气层撞击火星，制动过晚，探测器就不能被火星引力捕获，从而飞到更远的深空，很难再回到火星。

所以探测器在近火捕获前，需要由地面对其进行精确的无线电测轨，认真分析从探测器上光学自主导航仪器中获得的导航信息，得到探测器和火星的精确位置后，再在恰当时机进行制动，确保探测器可以成功进入环火轨道，还有，除了靠地面合作外，火星探测器还应具备自主应对突发故障的能力，进一步为环火轨道捕获过程保驾护航。

在整个任务中，“天问一号”的着陆器登陆火星表面是最让人期待的环节之一，同样也是难度最高的任务之一。要想成功着陆，着陆器要穿越火星稀薄的大气层，将与火星的相对速度从每秒4.8公里降至零。虽然该过程用时只有七八分钟，可因为电磁信号被完全屏蔽，整个过程都要靠着陆器自主控制完成，着陆器需要根据速度、加速度、与火星表面的距离等情况，做出一系列自主正确的判断。

上文提到，天问一号将在明年2月初到达火星， 那时与地球间的距离将达到1.9亿公里，更远的距离造成更大的信号衰减，两边的信号接收都会更加困难，还会产生10分钟左右的延时，地面无法实时快速地给探测器的动作发出指令，测控通信系统面临着巨大的考验。

不过令人感到鼓舞的是，中国早前已基本建成了兼具S/X/Ka多频段测控能力，集测控、数传和长基线干涉测量等多种功能于一体的深空测控网，对深空航天器的测控覆盖率提高到了90%以上，综合水平处于世界前列。此次“探火”任务，在探测器进入地火转移轨道后，由佳木斯深空站、喀什深空站、阿根廷深空站（中国海外首个深空站）组成的中国深空测控网成功得到了探测器地火转移段首个圈次的测控信息。

负责运行管理三大深空站的是西安卫星测控中心，此前它对三大深空站的对频率综合系统、多功能数字基带、监视和控制系统设备软硬件进行了非常科学细致的优化升级，以便为执行探测任务提供更为稳定强大的测控保障。三大深空测控站点在各自测控弧段内会持续接收、记录探测器遥测传输的数据，对探测器精确实施测轨和上行遥控。

“探火”很难 为什么一定要去？

在太阳系八大行星中，火星与地球的“血缘关系”最为接近，两者都形成于约45亿年前，有着相似的自转周期，火星的自转周期为24小时39分钟，它还和地球一样有着四季更迭，两者组成结构也大致相同，有核、幔、壳。以往探测资料表明，火星表面的土壤富含氧化铁，而这种土壤的形成，是风与水双重侵蚀作用产生的，据此可以推测，火星上应该存在过或者存在有大量的水和大气，虽然尚未在火星上发现过真正的生命痕迹，但结论是火星确实有生命形成或存在的一些条件。此外，火星的表面温度大约在零下133摄氏度到零上27摄氏度之间，还拥有高山、平原和峡谷等多种地形，种种现象促使人们生出了疑问和假想：火星是地球的过往，还是我们未来的归宿？

纵使探测火星远比探测月球复杂困难，我国还是义无反顾地借“天问一号”开启了火星探测之旅，因为研究火星的环境变化可以对地球环境的保护带来一定程度的指导意义，对太阳系起源及演化、甚至是生命起源及演化等重大科学问题也具有重要意义。

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