2020年7月23日12時(shí)41分，長(cháng)征五號遙四運載火箭托舉著(zhù)我國首次火星探測任務(wù)“天問(wèn)一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。

“天問(wèn)一號”任務(wù)火星探測器由中國航天科技集團五院抓總研制，發(fā)射升空后將經(jīng)歷7個(gè)月左右的長(cháng)途跋涉，突破極其遙遠距離，到達火星并開(kāi)展環(huán)繞和巡視探測。

“探火”任務(wù)非“胖五”莫屬 

發(fā)射深空探測器，需要運載火箭提供足夠的發(fā)射能量，使探測器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下，重量越大的探測器，所需要的發(fā)射能量也越大。

在長(cháng)征五號火箭出現之前，當時(shí)運載能力最強的長(cháng)征三號乙火箭，大約可以將兩噸左右的探測器送入地火轉移軌道，而長(cháng)征五號運載火箭的地火轉移軌道發(fā)射能力，超過(guò)了5噸。因此，發(fā)射“天問(wèn)一號”任務(wù)的大號探測器，只有“胖五”能夠勝任。

長(cháng)征五號運載火箭2006年國家正式批準立項研制，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(cháng)征五號運載火箭外形巨大，總長(cháng)約57米，箭體直徑達到5米，而此前我國現役火箭箭體直徑最大的只有3.35米，由于其顯著(zhù)粗壯的外形，被網(wǎng)友親切成為“胖五”。

長(cháng)征五號不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。長(cháng)征五號火箭起飛質(zhì)量約870噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸運載能力，比長(cháng)征三號乙火箭運載能力提升了2.5倍。長(cháng)征五號首飛成功，大幅提升了我國自主進(jìn)入空間的能力，把中國火箭送入包括美國和俄羅斯在內的世界主流火箭陣營(yíng)。中國未來(lái)的載人航天工程空間站建設、探月工程三期以及火星探測任務(wù)，都將使用長(cháng)征五號運載火箭。

“胖五”飛出我國運載火箭的最快速度

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，托舉探測器完全脫離地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也稱(chēng)為逃逸速度，達到這一速度的航天器將成為圍繞太陽(yáng)運行的人造行星。

“此次發(fā)射火星探測器，是長(cháng)征五號火箭第一次達到并超過(guò)第二宇宙速度，飛出了我國運載火箭的最快速度�！遍L(cháng)征五號火箭總設計師李東介紹說(shuō)。

“胖五”提供的發(fā)射能量（也就是分離時(shí)探測器動(dòng)能和勢能的總和）將是探測器飛往火星的主要能量來(lái)源。探測器與運載火箭分離后，將開(kāi)啟漫長(cháng)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)探測器將實(shí)施制動(dòng)，實(shí)現被火星的引力場(chǎng)所捕獲，進(jìn)入周期約10個(gè)火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機實(shí)施軌道機動(dòng)，進(jìn)入周期約2個(gè)火星日的橢圓停泊軌道，完成著(zhù)陸區預先探測和著(zhù)陸點(diǎn)調整后，擇機釋放著(zhù)陸巡視器。環(huán)繞器隨即進(jìn)行軌道調整，進(jìn)入中繼通信軌道。

著(zhù)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)機等多級減速和著(zhù)陸腿緩沖，軟著(zhù)陸于火星表面。巡視器與承載平臺分離，在火星表面開(kāi)展巡視科學(xué)探測。

“天問(wèn)一號”將一步完成

“環(huán)繞、著(zhù)陸、巡視探測”

我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點(diǎn)高、跨越大，從立項伊始就瞄準當前世界先進(jìn)水平確定任務(wù)目標，明確提出在國際上首次通過(guò)一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著(zhù)陸、巡視探測”三大任務(wù)。如果這一目標能夠順利實(shí)現，我國將成為世界上第二個(gè)獨立掌握火星著(zhù)陸巡視探測技術(shù)的國家。

據航天科技集團五院深空探測領(lǐng)域專(zhuān)家介紹，由該院抓總研制的“天問(wèn)一號”任務(wù)火星探測器，由環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器組成，其中著(zhù)陸巡視器又由進(jìn)入艙和火星車(chē)組成，進(jìn)入艙完成火星進(jìn)入、下降和著(zhù)陸任務(wù)，火星車(chē)配置了多種科學(xué)載荷，在著(zhù)陸區開(kāi)展巡視探測。

中國航天科技集團五院供圖

通過(guò)首次火星探測任務(wù)的實(shí)施，我國將驗證火星制動(dòng)捕獲、進(jìn)入/下降/著(zhù)陸、長(cháng)期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關(guān)鍵技術(shù)，為建立獨立自主的深空探測基礎工程體系夯實(shí)基礎，推動(dòng)我國深空探測活動(dòng)可持續發(fā)展。

“天問(wèn)一號”漫長(cháng)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”將作為我國第二個(gè)進(jìn)入環(huán)太陽(yáng)軌道（第一個(gè)是“嫦娥二號”）的深空探測器直飛火星，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。不過(guò)按照此前“北斗”系列衛星高超的發(fā)射精度來(lái)看（同步轉移軌道遠地點(diǎn)精度2公里，相當于近地點(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，是數百倍的差距。如此深遠的距離導致探測器天線(xiàn)發(fā)出的信號將變得十分微弱，因此需要地面構建深空探測網(wǎng)絡(luò )（Deep Space Network, DSN）。

我國的DSN已經(jīng)初步建成，而且證明了其能力：幾年前我國利用這套系統跟蹤飛出地月系的“嫦娥二號”，直到8000萬(wàn)公里的深空，依然能夠與之通訊；如果把標準放寬一點(diǎn)，僅僅是追蹤航天器的話(huà)，2015年，我國研究團隊就已經(jīng)測量到了47億千米外的“新地平線(xiàn)號”探測器。同時(shí)，隨著(zhù)今年70米口徑深空天線(xiàn)在天津落成，以及與歐空局的深度合作，我國深空探測通信的問(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”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(cháng)期保持運行。

在被火星引力捕獲的30顆探測器中，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(zhù)陸的任務(wù)之外，僅有3顆衛星進(jìn)入環(huán)火軌道失敗，這其中既有探測器本身的因素，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(zhù)我們無(wú)法通過(guò)人工即時(shí)操作，只能預先注入指令的辦法來(lái)控制探測器。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題對于一個(gè)已經(jīng)發(fā)射了數百顆人造衛星的國家而言不是難事，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)生上世紀末美國的“火星氣候探測者”探測器因為控制系統采用公制單位，而地面人員注入了英制數據導致其直接進(jìn)入火星大氣焚毀的低級錯誤，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)生在上世紀七十年代，隨著(zhù)人類(lèi)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世紀以來(lái)進(jìn)入火星軌道的探測器，它們都在預定軌道上運行得好好的。

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”需要花幾個(gè)月的時(shí)間對火星表面進(jìn)行測繪。等獲取合適的落區圖像之后，“天問(wèn)一號”的著(zhù)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(cháng)往往在幾分鐘到數小時(shí)不等，美國人喜歡稱(chēng)之為“死亡七分鐘”，這是由于他們的著(zhù)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”采用類(lèi)似于上世紀美國“海盜號”探測器的方案，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(cháng)一些，技術(shù)難度相對要低一些。因此盡管我國一次性實(shí)現“繞落巡”的設置比較激進(jìn)，不過(guò)難度仍然在可以接受的范圍內。

但這絕不意味著(zhù)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(zhù)陸任務(wù)中，成功完成軟著(zhù)陸任務(wù)的有12次，但真正能實(shí)現有效數據傳輸的僅有8次，且這8位幸運兒都是美國研制的探測器�！疤靻�(wèn)一號”想要打破“美國魔咒”，圓滿(mǎn)完成著(zhù)陸任務(wù)，一次性實(shí)現“落、巡”兩步，同樣需要克服幾個(gè)難點(diǎn)：

1. 自主著(zhù)陸問(wèn)題

盡管“嫦娥三號”與“嫦娥四號”已經(jīng)成功完成了地外天體的自動(dòng)著(zhù)陸任務(wù)，但要注意的是，著(zhù)陸月球是全程使用反沖發(fā)動(dòng)機的，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月球而言較高，無(wú)法實(shí)現全程動(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)機反沖下降；且地火通訊延遲高，人工無(wú)法干預，此外還有火星近地面空氣的擾動(dòng)問(wèn)題等等，因此一切復雜的操作只能靠著(zhù)陸器自己完成，這對于自動(dòng)控制的要求無(wú)疑上了一層臺階，是下降段任務(wù)的最大難點(diǎn)之一。

2. 著(zhù)陸器元器件可靠性問(wèn)題

除了直接因為控制系統失靈的問(wèn)題之外，著(zhù)陸過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)，火星獨特的環(huán)境也將令元器件失效的可能性大大增加。盡管現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 )因為火星揚塵而導致失效等等，這些核心問(wèn)題關(guān)乎任務(wù)能否順利完成。

我國火星探測器示意圖。圖片來(lái)源：國家航天局

好在這些難點(diǎn)在地面上都一一進(jìn)行了演示驗證，特別是去年11月的模擬火星重力的著(zhù)陸器動(dòng)力下降實(shí)驗，向全世界展示了我國在登陸火星上的充足準備。