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2020年7月23日12時(shí)41分，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭托舉著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器，在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。
“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院抓總研制，發(fā)射升空后將經(jīng)歷7個(gè)月左右的長(zhǎng)途跋涉，突破極其遙遠(yuǎn)距離，到達(dá)火星并開(kāi)展環(huán)繞和巡視探測(cè)。
“探火”任務(wù)非“胖五”莫屬
發(fā)射深空探測(cè)器，需要運(yùn)載火箭提供足夠的發(fā)射能量，使探測(cè)器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下，重量越大的探測(cè)器，所需要的發(fā)射能量也越大。
在長(zhǎng)征五號(hào)火箭出現(xiàn)之前，當(dāng)時(shí)運(yùn)載能力最強(qiáng)的長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭，大約可以將兩噸左右的探測(cè)器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，而長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的地火轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，超過(guò)了5噸。因此，發(fā)射“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)的大號(hào)探測(cè)器，只有“胖五”能夠勝任。
長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭2006年國(guó)家正式批準(zhǔn)立項(xiàng)研制，2016年11月3日在文昌航天發(fā)射場(chǎng)首飛成功，可謂十年磨一“箭”。長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭外形巨大，總長(zhǎng)約57米，箭體直徑達(dá)到5米，而此前我國(guó)現(xiàn)役火箭箭體直徑最大的只有3.35米，由于其顯著粗壯的外形，被網(wǎng)友親切成為“胖五”。
長(zhǎng)征五號(hào)不僅是我國(guó)最高、體積最大的火箭，也是運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。長(zhǎng)征五號(hào)火箭起飛質(zhì)量約870噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸運(yùn)載能力，比長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭運(yùn)載能力提升了2.5倍。長(zhǎng)征五號(hào)首飛成功，大幅提升了我國(guó)自主進(jìn)入空間的能力，把中國(guó)火箭送入包括美國(guó)和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營(yíng)。中國(guó)未來(lái)的載人航天工程空間站建設(shè)、探月工程三期以及火星探測(cè)任務(wù)，都將使用長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭。
“胖五”飛出我國(guó)運(yùn)載火箭的最快速度
此次發(fā)射最大的看點(diǎn)是“胖五”將首次飛出11.2千米/秒的第二宇宙速度，托舉探測(cè)器完全脫離地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也稱為逃逸速度，達(dá)到這一速度的航天器將成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星。
“此次發(fā)射火星探測(cè)器，是長(zhǎng)征五號(hào)火箭第一次達(dá)到并超過(guò)第二宇宙速度，飛出了我國(guó)運(yùn)載火箭的最快速度。”長(zhǎng)征五號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師李東介紹說(shuō)。
“胖五”提供的發(fā)射能量（也就是分離時(shí)探測(cè)器動(dòng)能和勢(shì)能的總和）將是探測(cè)器飛往火星的主要能量來(lái)源。探測(cè)器與運(yùn)載火箭分離后，將開(kāi)啟漫長(zhǎng)的奔火之旅，大約要飛行7個(gè)月的時(shí)間，期間還需要經(jīng)過(guò)中途修正，修正軌道偏差。
在靠近火星附近時(shí)探測(cè)器將實(shí)施制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)被火星的引力場(chǎng)所捕獲，進(jìn)入周期約10個(gè)火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機(jī)實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，進(jìn)入周期約2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道，完成著陸區(qū)預(yù)先探測(cè)和著陸點(diǎn)調(diào)整后，擇機(jī)釋放著陸巡視器。環(huán)繞器隨即進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入中繼通信軌道。
著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進(jìn)入火星大氣，通過(guò)氣動(dòng)外形、降落傘、反推發(fā)動(dòng)機(jī)等多級(jí)減速和著陸腿緩沖，軟著陸于火星表面。巡視器與承載平臺(tái)分離，在火星表面開(kāi)展巡視科學(xué)探測(cè)。
“天問(wèn)一號(hào)”將一步完成
“環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)”
我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)起步雖晚，但起點(diǎn)高、跨越大，從立項(xiàng)伊始就瞄準(zhǔn)當(dāng)前世界先進(jìn)水平確定任務(wù)目標(biāo)，明確提出在國(guó)際上首次通過(guò)一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)”三大任務(wù)。如果這一目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)，我國(guó)將成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測(cè)技術(shù)的國(guó)家。
據(jù)航天科技集團(tuán)五院深空探測(cè)領(lǐng)域?qū)＜医榻B，由該院抓總研制的“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器，由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，其中著陸巡視器又由進(jìn)入艙和火星車組成，進(jìn)入艙完成火星進(jìn)入、下降和著陸任務(wù)，火星車配置了多種科學(xué)載荷，在著陸區(qū)開(kāi)展巡視探測(cè)。
中國(guó)航天科技集團(tuán)五院供圖
通過(guò)首次火星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，我國(guó)將驗(yàn)證火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著陸、長(zhǎng)期自主管理、遠(yuǎn)距離測(cè)控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，為建立獨(dú)立自主的深空探測(cè)基礎(chǔ)工程體系夯實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。
“天問(wèn)一號(hào)”漫長(zhǎng)旅行中要闖過(guò)三大關(guān)卡
第一關(guān)：
捕獲！火星快抓住我
“天問(wèn)一號(hào)”將作為我國(guó)第二個(gè)進(jìn)入環(huán)太陽(yáng)軌道（第一個(gè)是“嫦娥二號(hào)”）的深空探測(cè)器直飛火星，想要讓它能安然被火星捕獲，就需要分別克服幾個(gè)難點(diǎn)：
1、捕獲問(wèn)題
火星的質(zhì)量比較小，其引力捕獲范圍也比較小，想要被火星捕獲，就需要極其精確的軌道才能實(shí)現(xiàn)。不過(guò)按照此前“北斗”系列衛(wèi)星高超的發(fā)射精度來(lái)看（同步轉(zhuǎn)移軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)精度2公里，相當(dāng)于近地點(diǎn)速度僅有每秒幾厘米的差異），這顯然不是問(wèn)題；
2、通訊問(wèn)題
火星與地球的距離在5000萬(wàn)公里到4億公里不等，考慮到被火星捕獲的時(shí)候兩個(gè)星球之間的相位，顯然，比起“嫦娥”系列任務(wù)38萬(wàn)公里的距離而言，是數(shù)百倍的差距。如此深遠(yuǎn)的距離導(dǎo)致探測(cè)器天線發(fā)出的信號(hào)將變得十分微弱，因此需要地面構(gòu)建深空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network, DSN）。
我國(guó)的DSN已經(jīng)初步建成，而且證明了其能力：幾年前我國(guó)利用這套系統(tǒng)跟蹤飛出地月系的“嫦娥二號(hào)”，直到8000萬(wàn)公里的深空，依然能夠與之通訊；如果把標(biāo)準(zhǔn)放寬一點(diǎn)，僅僅是追蹤航天器的話，2015年，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)測(cè)量到了47億千米外的“新地平線號(hào)”探測(cè)器。同時(shí)，隨著今年70米口徑深空天線在天津落成，以及與歐空局的深度合作，我國(guó)深空探測(cè)通信的問(wèn)題顯然也已得到解決。
第二關(guān)：
制動(dòng)！進(jìn)入環(huán)火星軌道
“天問(wèn)一號(hào)”被火星捕獲之后，為了能夠進(jìn)入環(huán)火星軌道，需要其能夠在近火星點(diǎn)進(jìn)行制動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)環(huán)繞火星的橢圓軌道且長(zhǎng)期保持運(yùn)行。
在被火星引力捕獲的30顆探測(cè)器中，除去3次飛掠任務(wù)與7次不進(jìn)入軌道直接進(jìn)入火星大氣層著陸的任務(wù)之外，僅有3顆衛(wèi)星進(jìn)入環(huán)火軌道失敗，這其中既有探測(cè)器本身的因素，也有人為的因素。在此階段的難點(diǎn)主要在于：
1. 指令注入問(wèn)題
在進(jìn)入環(huán)火軌道的階段，地球與火星的通信延遲在十幾分鐘，這就意味著我們無(wú)法通過(guò)人工即時(shí)操作，只能預(yù)先注入指令的辦法來(lái)控制探測(cè)器。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題對(duì)于一個(gè)已經(jīng)發(fā)射了數(shù)百顆人造衛(wèi)星的國(guó)家而言不是難事，這與日常的發(fā)射任務(wù)的控制原理本身就是一樣的。只要不發(fā)生上世紀(jì)末美國(guó)的“火星氣候探測(cè)者”探測(cè)器因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)采用公制單位，而地面人員注入了英制數(shù)據(jù)導(dǎo)致其直接進(jìn)入火星大氣焚毀的低級(jí)錯(cuò)誤，那么這就不是問(wèn)題。
2. 器件壽命問(wèn)題
我們注意到，之前有兩次失敗任務(wù)是由器件損壞引起的，不過(guò)這兩次失敗的任務(wù)都發(fā)生在上世紀(jì)七十年代，隨著人類技術(shù)的不斷提升，這個(gè)問(wèn)題也將在很大程度上得到解決，至少21世紀(jì)以來(lái)進(jìn)入火星軌道的探測(cè)器，它們都在預(yù)定軌道上運(yùn)行得好好的。
第三關(guān)：
下降！死亡七分鐘
在進(jìn)入火星軌道之后，“天問(wèn)一號(hào)”需要花幾個(gè)月的時(shí)間對(duì)火星表面進(jìn)行測(cè)繪。等獲取合適的落區(qū)圖像之后，“天問(wèn)一號(hào)”的著陸器將與軌道器分離，進(jìn)入下降階段。
火星表面崎嶇不平。圖片來(lái)源：NASA
下降階段的時(shí)長(zhǎng)往往在幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等，美國(guó)人喜歡稱之為“死亡七分鐘”，這是由于他們的著陸器大部分跳過(guò)了進(jìn)入環(huán)火軌道步驟，直接高速進(jìn)入火星大氣層。而“天問(wèn)一號(hào)”采用類似于上世紀(jì)美國(guó)“海盜號(hào)”探測(cè)器的方案，從火星的大橢圓軌道進(jìn)入大氣層，速度更為緩慢一些，在火星大氣層中的飛行時(shí)間會(huì)比七分鐘長(zhǎng)一些，技術(shù)難度相對(duì)要低一些。因此盡管我國(guó)一次性實(shí)現(xiàn)“繞落巡”的設(shè)置比較激進(jìn)，不過(guò)難度仍然在可以接受的范圍內(nèi)。
但這絕不意味著登陸火星的任務(wù)就如同游戲一般簡(jiǎn)單。在此前15次火星著陸任務(wù)中，成功完成軟著陸任務(wù)的有12次，但真正能實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬H有8次，且這8位幸運(yùn)兒都是美國(guó)研制的探測(cè)器�！疤靻�(wèn)一號(hào)”想要打破“美國(guó)魔咒”，圓滿完成著陸任務(wù)，一次性實(shí)現(xiàn)“落、巡”兩步，同樣需要克服幾個(gè)難點(diǎn)：
1. 自主著陸問(wèn)題
盡管“嫦娥三號(hào)”與“嫦娥四號(hào)”已經(jīng)成功完成了地外天體的自動(dòng)著陸任務(wù)，但要注意的是，著陸月球是全程使用反沖發(fā)動(dòng)機(jī)的，影響因素少；而且地月之間的通訊延時(shí)僅有一秒多，一旦在某些過(guò)程發(fā)生問(wèn)題（例如懸停避障階段），人工操控也能予以挽回。
而火星的第一宇宙速度相對(duì)月球而言較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)力下降；雖然可以利用火星大氣進(jìn)行氣動(dòng)減速，輔以降落傘，可以較大量地削減下降階段需要的燃料，然而火星大氣過(guò)于稀薄，即便大面積展開(kāi)降落傘，其末速度還是較大，因此仍然需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)反沖下降；且地火通訊延遲高，人工無(wú)法干預(yù)，此外還有火星近地面空氣的擾動(dòng)問(wèn)題等等，因此一切復(fù)雜的操作只能靠著陸器自己完成，這對(duì)于自動(dòng)控制的要求無(wú)疑上了一層臺(tái)階，是下降段任務(wù)的最大難點(diǎn)之一。
2. 著陸器元器件可靠性問(wèn)題
除了直接因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)失靈的問(wèn)題之外，著陸過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)，火星獨(dú)特的環(huán)境也將令元器件失效的可能性大大增加。盡管現(xiàn)在航天器件的可靠性都有了質(zhì)的提升，令近年來(lái)的火星任務(wù)成功率不斷走高，但相關(guān)問(wèn)題仍然存在——例如降落傘或者電池板會(huì)不會(huì)卡死，電池板會(huì)不會(huì)因?yàn)榛鹦菗P(yáng)塵而導(dǎo)致失效等等，這些核心問(wèn)題關(guān)乎任務(wù)能否順利完成。
我國(guó)火星探測(cè)器示意圖。圖片來(lái)源：國(guó)家航天局
好在這些難點(diǎn)在地面上都一一進(jìn)行了演示驗(yàn)證，特別是去年11月的模擬火星重力的著陸器動(dòng)力下降實(shí)驗(yàn)，向全世界展示了我國(guó)在登陸火星上的充足準(zhǔn)備。
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