“天问一号”：中国首次火星之旅
■宋星光 武勇江 解放军报记者 安普忠
探测器发射状态构型
4月24日，在2020年“中国航天日”线上启动仪式上，国家航天局正式公布：中国行星探测任务命名为“天问系列”，首次火星探测任务命名为“天问一号”。消息一经传出，引起全社会的广泛关注，人们纷纷热议这次火星探测之旅。
火星，这颗赤色星球，古往今来都充盈着迷人色彩。它是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一，一直以来都是人类深空探测的热点。从1961年至今，人类已实施火星探测活动达44次，但成功和部分成功的任务一共仅有22次。
这次，中国来了。
火星车三维仿真图
火星，地球的前世还是未来
不满足于地球的怀抱，人类将目光投向深远的太空。
在太阳系，火星的自然环境与地球最为接近，两者几乎都形成于约45亿年前，组成结构也大致相同，有核、幔、壳。
火星与地球有着相似的自转周期，一个火星日大约是24小时39分钟，而且它还和地球一样，也有四季更迭。
但是，从人类目前掌握的有限情况看，两者之间又有着显而易见的不同：从外形上看，火星个头更小，它的半径约为地球的1/2，体积约为地球的1/7。
与我们这个71%海洋覆盖率的蓝色星球不同，火星表面呈现出红色，在它最明亮的时候犹如一团火球。实际上这一红色并不是真正的火焰，火星上温度反而极低，接近于地球的南极。呈现红色的原因，是火星的土壤富含氧化铁，就像是土地生了锈。这种土壤的形成，是风与水双重侵蚀作用产生的。由此可见，火星上曾经存在过大量的水和大气。
时空流转，这颗与地球同龄的星球，表面怎么变成如此荒漠般模样？火星是我们的过往，还是地球未来的归宿？或许，它亦可成为人类改造的对象，在若干年后成为一个宜居的地外家园？
所有的问题，只有等到我们“身临其境”后才能一步步得到解答。万众期待中，中国首次火星探测之旅，按计划将在今年内开启。
探测器飞行状态构型
“天问一号”，代表中国向火星“发问”
“圜则九重，孰营度之？”
2000多年前，屈原曾发出嗟叹。而今，“天问一号”将勇敢作答。
2020年4月24日，中国首次火星探测任务命名“天问一号”。首次火星探测任务将于今年在海南文昌航天发射场进行。
据悉，此次发射要实现火星环绕和着陆巡视，并对火星开展全球性、综合性的环绕探测，遥控操作火星车在火星表面开展区域巡视探测等任务。“两步并成一步走”的决定实为“弯道超车”，但若能一次实现环绕、着陆、巡视，我国这一跨越式火星探测方案将成为全球首次。
能够成为中国首次火星探测任务的“主角”，“天问一号”在结构和性能上有着自己的风格：它由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器又分为进入舱和火星车。当“天问一号”运行到选定的进入窗口后，探测器进行降轨控制，释放着陆巡视器，环绕器则进行升轨控制，进入中继通信轨道，为火星车提供中继通信链路，并开展环绕科学探测。
着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过伞降和反推发动机的减速方式，软着陆于火星表面。火星车从着陆平台上分离以后，就可以在火星表面开展工作了。
但是，在“天问一号”进入该阶段之前，还要经历5个相当漫长的阶段。
着陆巡视器构成
从“三环”到“四环”，跨越的是4亿公里
在太阳系里，八大行星以太阳为核心公转，形成了八个环形轨道，其中地球位于“三环”，火星则在“四环”运行。要想冲出地球抵达火星，从“三环”跨越到“四环”，需要长途跋涉10个多月，直线距离突破4亿公里的旅程。要经历发射入轨段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段以及离轨着陆段等5个阶段。
其中，地火转移段指的是从探测器与火箭分离后，到进入火星引力影响球的飞行阶段。这一阶段是“天问一号”任务里耗时最多的部分，需要近7个月之久。
经过以亿公里计的奔袭后，“天问一号”进入火星引力影响球，就开始被火星捕获了。发动机点火进行近“火”制动，将探测器的飞行速度降下来，俯下身段，让火星捕获。一旦被火星成功捕获，探测器就会在火星轨道运行，成为一颗绕“火”卫星。接着，探测器就开始进入火星停泊段。
火星停泊段并不是停泊在火星轨道上不动，而是在一个极轨道上绕“火”飞行。这个阶段要持续几个月，直至探测器降轨后转入两器分离阶段。
既然已经到了火星轨道，为何还要绕飞数月而不是直接落“火”呢？
原来，这个阶段的绕“火”飞行，就是为了给地面控制环绕器上的高分相机对首选着陆区进行详细勘察，并拍照成像。经历多圈精准成像后，我们看清了“落脚点”，才能更好地控制“天问一号”准确着陆到理想区域。
看清目标以后，就要开始离轨着陆。这一阶段是火星探测任务成败的关键，尤其是从进入火星大气层到着陆，有着令人担忧的“恐怖7分钟”——在人类现有的44次火星探测中，能够安全度过这7分钟的仅有9次。
我国想要在首次火星探测任务中就克服这一艰难过程，并让火星车在“火”面持续工作3个月，所面临的挑战亦如可能获得的成就一样，都是前所未有的。
掌握新技术，迎接新挑战
嫦娥四号登陆月背，中国航天跨越了38万公里的距离，经历了10余年、4个型号任务的不懈努力，才得以“圆梦广寒宫”。如今，“天问一号”面临的是1000多倍于地月的距离，1/4的准备时间，一次任务实现“绕、落、巡”3个目标。
跨越式突破，注定会带来更多更新的难题。对北京航天飞行控制中心（简称北京中心）的任务型号团队来说，必须勇闯难关、赢得挑战：
采用超大变时延开环控制技术——压缩地火时空距离。火星探测器距离地球最远达4亿公里，一个信号往返地球与航天器用时可达44分钟，超大的时间延迟让地面无法沿用以往任务中的实时控制模式。为了突破这一“瓶颈”，北京中心采用超大变时延开环控制技术，设计了全新的超远距离测站捕获模式。
采用地火空间精密定轨与预报技术——全面掌握“天问一号”位置。虽然我们知道，火星探测任务在测轨数据处理及修正方法、时空参考框架、轨道动力学模型等许多方面，与以往近地飞行和探月任务有很大不同，但之前的任务积累还是为“天问一号”提供了助力。型号团队设计了首次火星任务轨道动力学公用库和精密定轨原型软件，以仿真打靶的方法完成全过程定轨预报精度分析。他们利用嫦娥二号拓展试验数据，验证了地火转移段的部分轨道精度，确认了当前模型的算法设计能够满足任务轨道确定的精度。能够为火星任务提供探索经验和技术支持，相信奔向更远深空的嫦娥二号应该也会“备感欣慰”。
采用火星车遥控操作任务规划技术——精准遥控、科学开车。经过玉兔一号、玉兔二号的熟练操作，北京中心已经拥有了一个熟练的“月球车驾驶员”团队。但是面对更遥远、环境更复杂的火星，要想“开”好这辆火星车，又会是一个新挑战。火星车具有一定的自主能力，但是它要前往的目的地、选择的路径以及路途中的各种动作，都需要地面工作人员提前告诉它。在这方面，操作团队就要扮演好“先知”的角色，通过对当前火星车所处环境的掌握、分析和规划，预测路径的安全性，否则石块、沙丘都可能对它造成“致命伤”。
本文配图均来自网络。
