7月23日，天問一號火星探測器發(fā)射升空，開啟了中國首次火星探測之旅。天問一號任務(wù)的目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行精細(xì)巡視勘查。

△長征五號運(yùn)載火箭點(diǎn)火升空（王磊 攝）

△天問一號1:1著陸平臺（右）和火星車（左）

國際上已經(jīng)實(shí)施的火星探測任務(wù)，通常是利用環(huán)繞器進(jìn)行火星遙感探測；或者是將遙感與著陸任務(wù)結(jié)合，一次實(shí)現(xiàn)“繞”和“落”；或者是單獨(dú)發(fā)射火星車，實(shí)現(xiàn)巡視探測。我國首次火星探測任務(wù)將通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)“繞”“落”“巡”，任務(wù)形式比較復(fù)雜。這次火星探測任務(wù)沒有簡單重復(fù)其他國家火星探測的老路，起點(diǎn)設(shè)置很高，體現(xiàn)了我國航天技術(shù)的發(fā)展水平，以及航天工程技術(shù)人員的自信。

26個(gè)月一次的任務(wù)發(fā)射窗口

火星和地球一起圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，地球的平均速度是30千米/秒，火星平均速度是24千米/秒，就像在環(huán)形跑道上快速奔跑的兩名運(yùn)動員，地球在內(nèi)圈，火星在外圈。若想把一個(gè)運(yùn)動員手里的接力棒傳遞到另一個(gè)運(yùn)動員手里，需要掌握好時(shí)機(jī)。什么時(shí)候第一個(gè)運(yùn)動員出發(fā)，沿著什么方向加速，到第二個(gè)運(yùn)動員附近如何減速才最省力，都是需要精心考慮的問題。在火星探測任務(wù)中，這項(xiàng)工作叫做軌道設(shè)計(jì)。

軌道設(shè)計(jì)中，一項(xiàng)重要的工作是任務(wù)發(fā)射窗口的分析，也就是探測器什么時(shí)候從地球出發(fā)，向什么方向出發(fā)。天體運(yùn)動關(guān)系決定了大約需要26個(gè)月，才有一次發(fā)射火星探測器的最佳機(jī)會，因?yàn)檫@時(shí)候發(fā)射最省能量。所謂窗口，是有一定的寬度的，從7月底到8月初的大約半個(gè)月時(shí)間，都存在發(fā)射機(jī)會。從理論上講，運(yùn)載火箭的能力越強(qiáng)，任務(wù)發(fā)射窗口越寬。

著陸地點(diǎn)選擇

火星的表面積是地球的四分之一，選擇在哪里著陸是一個(gè)復(fù)雜的問題。

首先，火星也有四季，只是由于火星繞太陽轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間差不多是兩年，所以每個(gè)季節(jié)時(shí)間長度大約是6個(gè)月左右。

△天問一號火星車

對應(yīng)2020年的發(fā)射窗口，等到探測器到達(dá)火星的時(shí)候，正值火星北半球的春夏之交，這個(gè)時(shí)節(jié)到火星，選擇北半球是有利的，日照時(shí)間長，可以獲得更多的太陽能。但是緯度也不能太高，超過火星的北回歸線，緯度高于25°之后，就沒有陽光垂直照射火星表面的機(jī)會了。因此，結(jié)合火星車的壽命，北緯5°～ 30°的區(qū)域就成為著陸區(qū)選擇的最初范圍。

研制人員考慮的因素包括：在哪個(gè)地方著陸對工程最安全，哪里可能有科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，盡量避開其他國家已經(jīng)著陸過的區(qū)域或者即將執(zhí)行任務(wù)選擇的著陸區(qū)，當(dāng)然還有一條最重要的因素，那就是海拔。

火星上沒有海洋，科學(xué)家根據(jù)平均氣壓確定了一個(gè)面，高于這個(gè)面的海拔算正值，低于這個(gè)面的海拔算負(fù)值。選擇著陸點(diǎn)的時(shí)候，希望選擇海拔低于-2千米區(qū)域，原因是在這里著陸，大氣層更厚，有更多的機(jī)會利用火星大氣進(jìn)行氣動減速和降落傘減速。

數(shù)據(jù)中繼方式

火星車探測時(shí)，需要接收地面的指令，還需要把獲得的數(shù)據(jù)傳回。如果直接和地球聯(lián)系，當(dāng)然可以，但是由于火星與地球之間距離遙遠(yuǎn)，需要比較大的功率和一個(gè)口徑達(dá)到米級的天線。然而攜帶這樣的天線，對經(jīng)常運(yùn)動的火星車很不方便，需要的功率也很難滿足，研制人員想了一個(gè)辦法，那就是數(shù)據(jù)中繼。

這樣，環(huán)繞器的任務(wù)就不僅僅是把火星車送到火星，還要一邊完成自己的火星遙感探測任務(wù)，一邊作為中繼星，擔(dān)任地面與火星車之間聯(lián)系的“首席聯(lián)絡(luò)官”。通常情況下，地面的命令首先傳送到環(huán)繞器，等到環(huán)繞器和火星車見面的時(shí)候轉(zhuǎn)給火星車；同時(shí)火星車自身健康情況以及探測獲得的圖像等科學(xué)數(shù)據(jù)傳送給環(huán)繞器，環(huán)繞器再利用它的大天線傳送到地面。

中途修正和深空機(jī)動

探測器發(fā)射成功后，需要對探測器的軌道進(jìn)行精確的測量，因?yàn)槁吠具b遠(yuǎn)，出發(fā)時(shí)方向的一點(diǎn)點(diǎn)偏差都會導(dǎo)致錯(cuò)失目標(biāo)，因此發(fā)射之后，要根據(jù)最新測量的探測器軌道進(jìn)行中途修正。這么遠(yuǎn)的路，一般會安排大約5次中途修正，有的時(shí)候發(fā)現(xiàn)偏差太小，后期的修正有可能取消。

和中途修正一樣，深空機(jī)動也是一次軌道的改變。不過中途修正主要消除的是軌道的偏差，深空機(jī)動則是研制人員軌道設(shè)計(jì)中的一個(gè)高招，在地火轉(zhuǎn)移軌道上合適的位置施加一個(gè)速度脈沖，改變繞日飛行軌道平面，可以降低對運(yùn)載火箭發(fā)射條件（如：射向、滑行時(shí)間）的要求，實(shí)現(xiàn)把更重的探測器送到火星。

最緊張的進(jìn)入、下降、著陸階段

著陸火星是激動人心的時(shí)刻，也是風(fēng)險(xiǎn)最大的一關(guān)，國外多個(gè)探測器在這個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)各種的問題，導(dǎo)致任務(wù)失敗。進(jìn)入、下降、著陸階段是這次火星探測任務(wù)中最緊張的8分鐘。

探測器首先瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的一個(gè)窄窄的進(jìn)入走廊，角度太大會導(dǎo)致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈，角度太小又實(shí)現(xiàn)不了進(jìn)入火星大氣層的目標(biāo)。接下來的氣動減速段是最主要的減速階段，進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測器的速度可達(dá)4.8千米/秒，大約5分鐘的減速之后，速度只剩下460米/秒，也就是說，速度減少九成，動能只剩下1%。

接著，專門設(shè)計(jì)的火星專用降落傘展開，進(jìn)入艙的速度進(jìn)一步下降到不到100米/秒，在這1分鐘多的時(shí)間里，要關(guān)注火星大氣層中風(fēng)的速度和方向，風(fēng)太大會影響著陸點(diǎn)的精度，甚至影響著陸安全。降落傘完成使命后，探測器把大底和背罩拋掉，露出了著陸平臺和火星車。平臺上的大推力發(fā)動機(jī)開始工作，進(jìn)一步減速，在高度降為100米的時(shí)候速度基本上降到0，便于探測器觀察地面，尋找最安全的著陸地點(diǎn)。

最后一點(diǎn)兒能量要靠4條著陸腿里的緩沖吸能材料，把著陸的沖擊能量緩沖掉，從而保證探測器不側(cè)翻，平穩(wěn)著陸在火星表面。整個(gè)過程短暫又復(fù)雜，地面沒有干預(yù)的機(jī)會，完全靠探測器自主決定各個(gè)動作執(zhí)行的時(shí)機(jī)。

火面工作

受到能源和通信的限制，火星車不能夠滿負(fù)荷工作。每天午后是火星表面溫度最高的時(shí)段，選擇在這個(gè)時(shí)間工作，探測儀器的溫度相對最適宜，對火星車而言就是最省能源?；鹦擒噷凑窄h(huán)境感知、科學(xué)探測、移動的次序不斷前進(jìn)，不斷探測，希望能夠獲得更多的關(guān)于火星的探測數(shù)據(jù)，供科學(xué)家分析、研究。

如果火星表面陽光充足，火星車就會一直工作，將白天太陽能電池板發(fā)出的電能的一部分用于設(shè)備工作，另一部分儲存在蓄電池中。到了夜晚，火星車會利用儲存的電能繼續(xù)工作。但是這還不夠，因?yàn)楣饽苻D(zhuǎn)換成電能，效率只有30%，再以化學(xué)能的形式存儲到蓄電池中，需要的時(shí)候再轉(zhuǎn)回電能，這個(gè)過程也會有一部分損失。

△火星車科學(xué)探測示意圖

為此，火星車的設(shè)計(jì)師們想出了新辦法。在火星車頂部，像雙筒望遠(yuǎn)鏡一樣的設(shè)備叫做集熱窗，它可以直接吸收太陽能，利用一種叫做正十一烷的物質(zhì)儲存能量。火星白天溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化，到了晚上溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過程中釋放熱能。由于能量的轉(zhuǎn)換方式變成了“光能 -熱能 - 相變能 - 熱能”，效率可以達(dá)到80%以上。

正如地球上干旱地區(qū)有的時(shí)候會突然刮來沙塵暴，火星表面也會有局部沙塵天氣，嚴(yán)重的時(shí)候甚至蔓延到火星的大部分地區(qū)，成為全球性的沙塵暴?；鹦擒嚲邆渥灾餍菝邌拘压δ?。

火星車喚醒必須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是等到陽光越來越強(qiáng)，大氣變得澄靜、透明，火星車太陽電池翼的發(fā)電量可以維持正常工作；另一個(gè)是火星車關(guān)鍵設(shè)備的溫度符合工作的要求，比如蓄電池可以正常充電了。等到滿足條件，不需要地面控制，火星車會自己蘇醒，開始繼續(xù)工作。