天问一号的探火之旅

薛炳森 韩大洋

“前所未有”的出征仪式

天问一号的座驾是长征五号遥四火箭。2020年1月19日，火箭的氢氧发动机完成了总装出厂前的最后一项验证——100秒校准试车，这标志着这台发动机性能达到了预定要求，能够肩负托举起天问一号的任务。

探索火星的天问一号与到访月球的“嫦娥”不同，探月轨道是一个微缩的天问之路，依靠火箭的推力，将嫦娥探测器推送进入一个大椭圆形的卫星轨道，其远地点与地球的距离就是月球轨道的半径，当以预定速度到达这个位置后，探测器就会被月球引力所捕获。不难看出，到月球的路途可比去火星的近多了，轨道的设计不是很复杂，途中需要探测器做的机动动作也较少。

嫦娥探月轨道

但是天问一号任务的难度可就大多了。首先速度要够快，因此专门给它配备了长征五号运载火箭，帮助它将飞行速度提升至超过第二宇宙速度（11.2千米/秒），这个速度下运动的物体足以逃脱地球的引力，升格成为“人造行星”，也就是不再围着地球转了，而是和地球一样成为太阳的“跟班儿”。这时的天问一号遵从开普勒定律的“引导”，沿着环太阳的椭圆轨道运行。但如果你以为就这样一直飞行就能到达火星可就未免太低估它了，打个比方会更加明了。法国巴黎距离日本东京大约9800千米，从巴黎埃菲尔铁塔上挥杆击球，这个球要不偏不斜的直接掉落到东京铁塔上的球洞里，这就是此次火星任务的难度“级别”了。除此之外，天问一号还要带够燃料以便应付到达火星附近时的操作，所以，它的重量将超过嫦娥探测器数倍。也正是因为这个原因，再加上目前中国最强运载火箭长征五号的推力也显得不太富裕，所以必须精打细算，盘算着每一次机动动作在哪里做，在什么角度位置时点火，这些都要精确瞄准、拿捏力道，同时，挥杆的一刻要果断。尽管计划的如此周全，但从地面直接发射之后，包括大气层的扰动、火箭的晃动等，都会给飞船的出发精度带来更多不可控性，可谓风险依旧。

为了能够达到近乎苛刻的出发精度参数要求（包括角度、速度），火箭和飞船要首先进入200千米左右的赤道圆轨道，在这里，火箭需要通过不断地微调，等待着最佳的二次点火出发角度，这就需要一个绕地球旋转2～3周的调整窗口，与此同时，火箭也在“调整”着它的状态，因为长征五号采用的是液氢液氧发动机，而液氢需要足够的低温才更有利于发动机工作，大气层外轨道上的低温为此提供了条件。在火箭绕地球旋转的每个圈次中，达到点火要求的出发角度对应的时间只有2～3秒，转瞬即逝。这个时候就需要地面控制指令的下达与执行准确果断，火箭激发一步到位，说起来容易做起来难，要知道，2009年准备发射去火星的萤火探测器就是因为火箭在轨道上达不到发射条件而错过了任务窗口，最终造成整个任务失败。

漫长的奔火征途

2011 年巴黎航展上的航天器模型，箭头指向处是萤火一号（图片来源 / Wiki）

萤火一号和福布斯 - 土壤轨道示意图。其中红、橙、黄色为萤火一号转移轨道，绿色为萤火一号工作轨道

霍曼转移轨道示意图

二次点火完成，出征阶段结束，天问一号挥别地球，踏上茫茫的奔火征程。因为在进驻火星轨道时需要的燃料还不好确定，因此在出发奔赴火星时需要优化轨道参数，使得奔火过程所消耗的燃料最小化。经过精打细算、反复优化，科学家优选出了一条最省燃料的轨道——霍曼轨道。从地球启程后，天问一号要短暂地获得行星的名号，其轨道为以太阳为焦点的椭圆，出发时对应的位置是近日点，并最终在远日点与火星相会，这就是霍曼轨道。不难看出，火箭二次出发时其速度、角度都是大有讲究的。

根据计算，走霍曼轨道的天问一号大约需要10个月的行程，在这段时间里，天问一号只能偶尔向指挥中心报告一下方位。地面专家也会根据轨道模拟计算结果，对飞船的方向进行微调。不过注意，这里有个问题，在茫茫太阳系中，没有GPS和导航，天问是怎么知道方位和方向的呢？答案就是依靠古老、有效且准确的恒星定位法，我們在地球上也经常用到。首先，在视野中选取相关的4颗恒星，通过测量恒星的方位角就可以判断自己所处的位置以及前行方向，从而完成导航。不过，误差不请自来。在近乎真空的环境里前进，天问一号的方向也可能跑偏，这种偏差通常是来自太阳光的光压，尽管压力很小，但是光始终照在飞船的一个侧面，且持续的时间长，积少成多。天问一号的运行方向不经意间就发生了改变，如不及时纠正，就会像射击瞄准中的小误差一样，看似失之毫厘，实则谬以千里。

考验天问一号的下一道关口就是进入火星的“势力”范围。当天问一号与火星几乎同时到达远日点时，此时的速度还是第二宇宙速度（11.2千米/秒），如果它头也不回地继续飞行，最终将与火星擦肩而过。所以，这时的天问一号需要踩一脚刹车，使其速度下降，以便被火星的重力场捕获而成为环绕火星运动的卫星。这一波操作对于探月和探火成功的国家可谓轻车熟路，但天问一号卫星还要“秀一把”车技，别国的火星探测器都是运行在火星赤道上的圆轨道上（高度和轨道相对稳定），而天问一号则选择了有一定倾角的椭圆轨道（近火点和远火点相差很大的椭圆），这样做有一个好处，能够相对全面的探测火星的电离层和磁层。

2001 年火星奥德赛号探火轨道（图片来源 / Wiki）

轨道的问题基本解决了，还有一个挑战，那就是通信。与距离地球较近的月球探测任务不同，当天问一号即将登陆火星时，火星距离地球约1.2亿千米远，信号传输回地球需要约6分钟时间，来自地球的指令需要同样的时间才能回复天问一号，这在机会稍纵即逝的行星转卫星的操作中肯定会误事，因此，这个阶段会让天问一号根据探测数据，以及设定的规则自己完成处置。俗话说“展现真正技术的时候到了”，借助人工智能去替代人工指令，是本次探火任务全球瞩目的关键之一。

着陆火星不容易

天问一号还肩负着巡视火星的使命，在进入火星轨道之后，着陆器和巡视器将在合适的时机与轨道器分离，冲入危机四伏的火星大气中。这一过程，中国的神舟、嫦娥航天器已经提前“演练”过多次，都完美安全着陆。不过，天问一号落地之路与过往的飞行器着陆区别很大。首先，火星有稀薄的大气，这与月球的近真空和地球的浓密大气环境都不相同，需要全新的设计。更重要的是，天问一号的着陆过程受限于测控信号的迟滞（信号一来一回要10多分钟），科学家无法对着陆过程进行监视和控制，完全靠人工智能来独立完成，也就是说，天问一号需要根據探测到的火星数据，在预先设置的程序指导下，自主选择着陆的线路和方式，这对于地球上的控制人员来说，相当于盲降，堪称整个火星任务中最惊心动魄的时刻。

火星探测器一般都会怎样着陆呢？

天问一号着陆器进入火星大气分为三个阶段。第一阶段，火星探测器进行着陆前的准备，包括变轨、调姿、制动等，着陆器与轨道器分离后独自进入火星大气层;第二阶段，着陆器依靠气动外形所获取的大气阻力进行减速，这时着陆器要经受严酷且未知的气动加热以及过载考验。当达到降落伞开伞条件时降落伞弹出，同时抛掉防热大底;第三阶段，在最终着陆前雷达开机判定着陆高度，计算机控制反推火箭点火制动，达到允许的着陆速度后着陆器与降落伞分离开，再经过复杂而精确的悬停、避障、降落，着陆过程完毕。随后，着陆器打开，释放火星巡视车，这种着陆方案在嫦娥四号软着陆月球背面时已经受住了考验。

以上是我们在火星探测的动画模拟中见到的着陆过程，而实际上，火星上还会不时刮起漫天的沙尘暴，地表条件复杂、崎岖不平，惊天一落的末尾可谓“暗藏杀机”，都需要天问一号的临机处置，让我们拭目以待吧！

（责任编辑 / 岳萌美术编辑 / 周游）

火星上会不时刮起沙尘暴