红色的星球，炽热的梦想——天问一号探测器火星探测前瞻

文/ 赵聪

天问一号火星探测器效果图

红色星球接待过数名地球访客。它们有的刚到达火星，便一头扎进肆虐的沙尘粉身碎骨，有的远超设计寿命，在砾石遍布的火星表面摸爬滚打，为人类勤恳工作数年。

跋涉数亿公里，穿过火星大气层，行驶在火星表面，中国火星车这位红色星球的新访客，渴望留下一段值得书写的历史。在火星车上空，环绕器已就位，它们将联手展开中国首次对火星的巡视探测。

肩负五大科学使命

在我国的月球探测工程中，是通过“嫦娥一号”和“嫦娥三号”两次发射，才完成了“绕落巡”的目标。“天问一号”任务则是通过一次发射实现对火星的“绕着巡”。

设计师介绍，这种高效的任务形式尚属国际首次。如果任务成功，我国将成为世界上第二个实现火星车安全着陆和巡视探测的国家。这次任务也是中国行星探测工程的第一步，后续还要规划实施小行星探测、木星探测、火星采样返回等任务。

为何要进行史无前例的一次性火星“绕着巡”？航天科技集团科技委副主任于登云介绍，探月工程的实施使我国在技术突破、组织管理和人才队伍方面积累了较好的基础。同时，中国也希望大胆创新，“通过一次机会实现利益最大化”。

“天问一号”要搞清楚5 个问题，这也是科学家设置的五大科学探测目标——火星形貌与地质构造特征、表面土壤特征和水冰分布、表面物质组成、大气电离层及表面气候与环境特征以及火星物理场与内部构造。

“天问一号”的两位“探火者”将分工协作：环绕器在火星上空运行，伺机开展针对火星的全球性和综合性探测；火星车则在火星表面开展高精度、高分辨的巡视探测，并将探测到的数据通过头顶的环绕器发回地球。

天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成

着陆巡视器由进入舱和火星车组成

要完成上述科学探测任务，火星车和环绕器要借助从地球装载的各式工具——功能各异的载荷。

载荷共有13 台：7 台分布在环绕器上，分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪；6台分布在火星车上，分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。

其中，与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场，这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候。

从这些载荷也能看出这趟问天之旅的科学使命——通过环绕探测和巡视探测，实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等的科学探测。

陌生星球荒野求生

火星环境恶劣，要想完成使命，先得“活”下来，这需要环绕器和火星车足够强大。

中国数次探访月球，虽有经验可借鉴，但两个天体环境差异显著。最显而易见的一点是，月球表面近似真空，火星则有大气层，这会大大增加火星探测的难度。

第一个“拦路虎”——火星表面会刮起大风，并伴有沙尘，若沙尘覆盖火星车，将影响其能源获取、热量传导，让活动“关节”不再灵活，让光学载荷“蒙尘”。设计师想了多种办法：吹气，将附着的灰尘吹走；或者贴膜，膜可以卷起，将灰尘掀掉。最终，设计师选择了一种更好的解决方案，在火星车上使用了一种新材料，这种材料的表面不易沾染灰尘，即便沾上了灰尘，也可通过振动将其抖落。

致命的考验来自沙尘暴。历史上，苏联的“火星—3”探测器刚着陆火星表面，便湮没在了漫天的沙尘中。“如果遇到沙尘暴，只能让火星车休眠，别无他法。”中国空间技术研究院探测器副总设计师贾阳说。

地球和月球距太阳的平均距离约为1.5 亿公里，火星距太阳的平均距离约为2.3 亿公里，火星距离太阳远且受大气的影响，辐照强度约为月球表面的20%，沙尘天气将进一步降低辐照，导致火星车的发电功率很低。此外，由于火星尘的影响，太阳电池发电量会每日衰减。这些都给火星车的能源供给带来极大的挑战。

在这种情况下，火星车只有增强能源获取能力，才能续命。与此同时，火星的平均气温在零下60 摄氏度左右，最低可达零下125 摄氏度，且由于存在大气，对流散热，给火星车保持温度带来了更为严峻的挑战。为此，聪明的设计师想出了办法，进行了火星光谱匹配太阳电池、太阳电池防尘设计、火星大气环境隔热技术、直接利用太阳能供热集热器等攻关，以期解决能源问题。

火星车蛰伏在红色星球上，像一只硕大的黑色蝴蝶。秘诀，就在“蝶翼”上。“蝶翼”其实是4 块太阳能电池板，针对火星专门定制，能适应火星上的光谱，达到极高的转化效率。在“蝶翼”的帮助下，能源输送给火星车，帮助它完成荒野求生。

太阳电池研制人员创新性地使用了最大功率跟踪技术，这也是该技术在国内航天领域首次在轨应用。“跟踪精度高达98%，相比传统电路，提高了太阳电池20%的利用效率，既解决了火星车能源紧张问题，也在减少太阳电池阵面积的同时减轻了电源产品的重量。”上海航天技术研究院811 所电源控制器主管设计师陈达兴说。

在火星表面行走也不容易。火星表面石块等障碍分布密集，火星车以自主行驶为主，被石块卡滞的风险较大，而且火星表面多石块环境对车轮轮缘的强度、耐磨性提出了更高要求。

太阳风与火星高层大气电流分布

要爬坡过坎，就需要有强大的越障能力。设计师为其设计了主动悬架功能，车体可以在0～600 毫米的高度区间内自主升降，好比越野车的底盘升降功能，这在全世界所有的火星车中是独一份。此外，设计师还进行了高韧性、耐磨性的一体化结构轮缘设计，并为缓解火星车震动设计了弹性轮辐。

火星上活跃的沙丘

环绕器在火星上空运行，也并非安全无虞。环绕器周围，最低温度达零下140 摄氏度，为了确保火星环绕器在低温下正常工作，它的“着装”要求非常严格。这件低温下所穿的“衣服”被称为热控隔热组件，业内称作低温多层，均采用自动缝纫机床及裁割机完成。火星环绕器的舱体结构大，它的“衣服”面积达到了30 平方米，而一般卫星的“衣服”面积仅约15 平方米。

具备了荒野求生能力，两器便可安心开展火星探测。

智能自主的“探火者”

火星表面石块等障碍物分布密集

火星车主体结构为银白色，搭配黑色的太阳翼，整体外形科技感十足。它重达240 千克，高度达到1.85 米，设计工作寿命是90 个火星日。在红色星球上，它会走走停停，对岩石和矿物等火星表面物质进行探测。火星车的行进速度大约是每小时200 米，这个速度与玉兔号月球车的速度相当。

天问一号探测器研制现场

如何让火星车每一步都走得更加稳妥？在地球上，有一个和火星上一模一样的火星车，当火星上遇到复杂行驶路况时，地球上的火星车将根据火星路况进行模拟行走，确保无误后，再对火星发出指令。这样，火星车就能稳稳当当地出发了，在这个陌生的星球上进行既定的探测任务。

火星车的探测成果，如何传给遥远的地球？这需要借助天上待命的环绕器。此时，环绕器在火星车的头顶上方，两者最近相距265 公里，最远相距数千甚至上万公里。此时，环绕器就相当于一颗中继卫星。它在中继通信轨道上为火星车提供通信中转服务，帮助火星车与数亿公里外的地球取得联系。

环绕器驱动太阳电池阵对准太阳方向，以保证自身电能的供应，同时两条天线一条跟踪地球，另一条指向火星车，以建立数据“鹊桥”。“此时，环绕器需要同时实现对火星车、地球、太阳3 个目标的高精度同步指向控制，绝对可以称得上是‘八面玲珑’了。”上海航天技术研究院803 所GNC 系统主任设计师聂钦博说。

环绕器在距离地球2.93 亿公里的轨道上准确指向地球，相当于要在2 米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身还在不断飞行运动的情况下，时刻保持住瞄准状态。难度可想而知。

中国火星探测器在火星表面示意图

环绕器与火星车的通信，与一般的地球中继卫星有显著不同。前者的通信环境更为复杂。航天科技集团的研制团队重点突破了火星环绕器与火星车多节点间通信、天线小型化设计等关键技术，提升了火星车、环绕器之间的互联互通和可靠数据传输能力。

天问一号任务火星车与着陆平台分离

即便有了这座通信“桥梁”，与地球取得联系也并非易事。月球与地球的距离在36 万公里～40 万公里之间，信号传输已经有延时，火星距地球在5600 万公里～4 亿公里之间，无线电信号传输时延更大，而且航天器很可能会经历日凌，中断与地球的通信。

如何进一步克服通信障碍？

一方面，这就要求火星车和环绕器更加自主，“求人不如求己”。它们必须自主执行预先注入的指令，并自行判断指令执行的效果，一旦发现问题，必须在极短时间内根据自测量信息进行自诊断，并完成故障的自恢复。如此一来，便对它们的自主导航、管理与控制能力提出了更高的要求。

为了让火星车和环绕器能够从容应对恶劣的火星环境和突发情况，设计师赋予探测器更多的自主功能，设计出自主管理、自主故障诊断与处置能力更高的软件。

“跟其他火星车相比，我国的火星车自主能力有了巨大的提升。”贾阳表示，假如火星车在火星巡视探测时出现故障，它的首选求助对象不是相隔遥远的地球人，而是它自己。因此，设计师们也将火星车称为“火星移动智能体”。

另一方面，要提升我国的深空探测通信能力。我国对已有深空测控通信基础设施进行补充建设和改造，在多个地面站建设了口径更大的天线，实现了大口径天线组阵接收。值得一提的是，这些技术的突破和能力的形成，将为我国开展更高水平的深空探测奠定技术基础，同时将带动我国人工智能、自动控制、机电一体化、遥感科学等相关技术再上台阶。

据透露，设计团队还将对火星车车轮的滑移率进行研究。火星车在火星上的行动，受火星土壤等因素的限制，假如火星车轮子转动了100 米，其行进的实际距离可能只有80 米，此时，火星车的滑移率就为20%。贾阳说：“对滑移率进行研究，将有助于更准确地掌握火星车在火星表面的运动情况，便于开展后续火星探测的研究。”

按照计划，90 个火星日后，火星车结束巡视探测工作，环绕器也将进行轨道调整，离开中继轨道，进入遥感使命轨道，开展环绕科学探测。它在环绕探测的同时，也兼顾火星车中继通信。

带着人类的新使命，此刻，“天问一号”仍然在奔向火星的漫漫征途上，它渴望早日拥抱红色星球，拥抱一个奇妙的、炽热的、全人类共同缔造的火星梦想。