“天问一号”如何飞向火星

2020-08-09火玥

军事文摘·科学少年 2020年8期

火玥

中国将行星探测任务命名为“天问”系列

一、“天问”系列的行星之旅

“天问”只是中国火星探测任务的名称吗？不，它将是中国未来行星探测任务共有的名称。两千多年前，我国伟大诗人屈原在他的长诗《天问》里写道：“日月安属，列星安陈”，两千多年后，中国的“天问”系列将组建一支强大的“行星舰队”，揽星九天，为这个古老的问题作出自己的回答。

此前，美国就数次以一个系列完成了多个行星探测的任务。例如，NASA的“水手”系列在1962年～1973年11年时间里探测了火星、金星和水星，“水手”11和12号（“旅行者”1号和2号）探访了外太阳系的4颗行星，“水手”系列可以说探测了整个太阳系。

“揽星九天”任务标识

“水手”10号探测器

“旅行者”1号和2号

“天问一号”火星探测起点高

“天问一号”轨道器示意图

着陆巡视组合体的工作过程：着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测

二、“绕、落、巡”三大任务

“天问一号”将是我国自主发射的第一颗火星任务探测器，将利用1次发射完成“环绕”“着陆”“巡视”火星这3大任务，也就是所谓的“绕、落、巡”。

环绕通过环绕器（轨道器）来完成，例如目前在轨的NASA火星勘测轨道飞行器，就在环绕火星的过程中展開探测任务。我国的“天问一号”会包含1个环绕器，完成至少1年的环火星探测。

此外，“天问一号”将通过一个着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务。着陆巡视组合体包含进入舱（着陆架）和火星车两部分，进入舱负责着陆，而火星车负责科学探测。

三、“胖五”火箭的实力担当

飞向遥远的火星，首先需要有更强大的火箭。火星和地球都是环绕太阳的行星，两者的距离会不断变化：地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约4亿千米，而位于太阳同侧最近时也有5460万千米。即使是火星最近的时候，也是地月距离的150倍。

要知道，探测器去火星并不是直线飞过去的，而是通过火箭将其送入椭圆轨道，在围绕轨道运行过程中与火星“相遇”。因此，“天问一号”去火星，“嫦娥五号”去月球，都必须依赖运输能力更强大的“胖五”火箭——“长征五号”大推力运载火箭。

2020年1月19日，负责发射“天问一号”的火箭——“长征五号遥四”火箭的氢氧发动机完成了总装出厂前的最后一项验证，即将转入火箭总装阶段。这意味着“天问一号”终于得到了出发的保障。

2019年12月27日，“长征五号遥三”火箭发射升空

目前公开的中国火星探测器实拍照片

阿根廷深空站35米天线及附近地形

四、超远距离的通讯挑战

火星最远时距离地球4亿千米，是地月距离的1000倍。距离越远，不仅信号传输时间越长，更重要的是信号衰减也越剧烈。无论探测器飞得多远，都能“抓得住”“收得到”，这是我们迈向星辰大海的前提和保障。相比月球，遥远的火星显然为地球与探测器之间的通讯带来了更大的挑战。

与火箭和探测器保持通讯需要强大的地面站，或者说数目更多、分布更广、口径更大的地面天线。中国已經初步组建了自己的深空测控网，目前，我国深空测控网由中国西北部喀什地区35米深空站、中国东北部佳木斯地区66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站组成。未来，我国还将继续强化测控网的建设，向着更大、更多、更广的目标迈进。

佳木斯深空站66米天线和喀什深空站35米天线

五、着陆火星的巨大风险

顺利飞到火星附近，地面站也没和探测器失联，对于一个着陆任务来说，只是成功了一半。着陆火星比着陆月球要危险得多，这很大程度上是因为火星有大气层。尽管火星大气层很稀薄，表面大气压只有地球的6%，但也足以形成一个“屏障”，让毫无防备的探测器在着陆之前被烧坏，因此，火星也曾被称为“探测器坟场”。但也不是说火星大气没有一点好处，火星大气的存在让着陆任务有了利用大气摩擦减速和使用降落伞减速的空间，这些都能缓解之后使用反冲火箭减速的压力。

总之，相对于简单直接的月球着陆任务，火星着陆任务有很多复杂的步骤。例如，着陆组件得先被放进隔热盾里保护起来，降落伞要能打得开、撑得住，减速到一定程度隔热盾还要打得开、抛得掉……而这些都得靠探测器自主判断和完成。任何一个操作环节出现问题，都可能会让探测器无法成功着陆。这对于第一次尝试着陆火星的中国来说，显然是巨大的挑战。