“天问一号”：跨越4亿公里往火星 -

火星探测器着陆火星示意图

国家航天局日前宣布，计划于7月下旬到8月上旬择机实施中国首次火星探测任务（行星探测工程天问一号任务）。天问一号将实现火星环绕和着陆巡视，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，并在火星表面开展区域巡视探测。7月17日，长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后，已垂直转运至发射区。

今天，就“天问一号怎么去火星？为什么去火星”等问题，记者采访了北京航天飞行控制中心首次火星探测任务型号总师崔晓峰。

探测器发射状态构型

从“三环”到“四环”，先要飞行7个月

在太阳系里，八大行星以太阳为核心公转，形成了八个环形轨道，其中地球位于三环，火星则在四环运行。我们的探测器要想冲出地球抵达火星，绝不是简单地从“三环”跨越到“四环”，而是长途跋涉十个多月，直线距离突破4亿公里的旅程。要经历发射入轨段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段以及离轨着陆段。

其中，地火转移段指的是从探测器与火箭分离后，到进入火星引力影响球的飞行阶段。这一阶段是“天问一号”任务里耗时最久的部分，需要近7个月之久。也就是，我们的探测器如果在7月下旬发射，抵达火星轨道的时间大约在2021年2月前后。

经过亿里迢迢的奔袭后，“天问一号”进入火星引力影响球，渐为火星所捕获。探测器发动机点火进行近火制动，将探测器的飞行速度降下来，俯下身段，成功让火星将自己“抓住”。一旦成功被火星捕获，探测器就会在火星轨道运行，成为一颗“绕火卫星”，此后进入火星停泊段。

火星停泊段并不是停泊在火星轨道上不动，而是在一个极轨道上绕火飞行，这个阶段要持续几个月，直至探测器降轨后转入两器分离阶段。既然已经到了火星轨道，为何还要绕飞两个多月而不是直接落火呢？在航天任务中，没有哪一克燃料是白白浪费的，也没有什么决定是毫无意义的，这个阶段的绕火飞行就是为了给地面控制环绕器上的高分相机对首选着陆区进行详细勘查并拍照成像。经历过多圈精准的成像后，我们看清了“落脚点”，才能更好地控制“天问一号”准确着陆到理想区域。

看清目标以后，就要开始离轨着陆。这一阶段是火星探测任务成败的关键，尤其是从进入火星大气层到着陆，有一段闻名世界的“恐怖7分钟”，别看时间短暂，但在世界上现有的44次火星探测任务中，能够安全度过这7分钟的仅有9次。

我国要在首次火星探测任务中就克服这一艰难的过程，并让火星车在火面持续工作3个月，所面临的挑战是前所未有的。

探测器飞行状态构型

“天问一号”为什么要去火星？

中国首次火星探测任务是我国行星探测的第一步。我们行星探测的第一步为什么要选择火星？

在太阳系里，火星是自然环境里与地球最为接近的星球，两者几乎都形成于约45亿年前，组成成分也相同，有核、幔、壳。火星与地球有着相似的自转周期，一个火星日大约是24小时39分钟，不仅如此，它还和地球一样有四季更迭。

但是从有限的资源中，又显而易见两者之间的不同。从外型上看，火星个头更小，它的半径约为地球的一半，体积为地球的七分之一，大气为地球的1%。与我们这个71%海洋覆盖率的蓝色星球不同，火星表面呈现出红色，在它最明亮的时候犹如一团火球。但实际上这一红色并不是真的火焰，正相反，火星的温度极低，接近于地球南极的寒冷，而红色的源头则是富含氧化铁的土壤，就像是土地生了锈。这种土壤的形成是风和水的双重侵蚀作用产生的，可见曾经的火星上至少存在过大量的水和大气。

当时空流转，是怎样的演变让这颗与地球同龄的星球变成现在如荒漠一般的模样？火星是我们的过往，还是地球未来的归宿？又或许，它亦可成为人类改造的对象，在百十年后成为一个宜居的地外家园？

虽然天问一号是我国首次火星探测之旅，不过却并没有走美国、俄罗斯等在火星探测上的“老路”，而是增加了任务难度，将有望成为人类星际探测史上，第一台一次性完成“环绕、着陆、巡视”，以及在火星开展全球巡查和精细探测的探测器。

能够成为中国首次火星探测任务的主角，“天问一号”在结构上就有着自己的风格。它由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器又分为进入舱和火星车。当“天问一号”运行到选定的进入窗口后，探测器进行降轨控制，释放着陆巡视器，环绕器则进行升轨控制，进入中继通信轨道，为火星车提供中继通信链路，并开展环绕科学探测。

着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过伞降和反推发动机的减速方式，软着陆于火星表面。火星车从着陆平台上分离以后，就可以在火星表面开展工作了。据悉，“天问一号”携带了各种用来检测火星大气成分、磁场等的仪器，希望可以对火星进行全方面的探测研究，绘制出更加完善的火星地形图，以及更多了解火星的地下结构，寻找可能在火星上存在的“液态水”，以及探测火星上是否有微生物等原始的低等生命。

着陆巡视器构成

创新突破八大技术，勇闯五大难关

高难度、新挑战向来不会在航天任务中缺席。天问一号面临的是100多倍于地月的距离，一次任务实现“绕、着、巡”的三个目标，跨越式突破注定会带来更多更新的难题，对北京航天飞行控制中心的任务型号团队来说，必须要攻克全新研制的任务型号带来的全新技术状态、复杂的测控通信工作模式、崭新多变的深空飞控实施模式、高要求的行星际测定轨和控制以及高难度的火星车遥操作，众多新变化和随之而增加的应急处置难度等诸多挑战。

深入分析了任务技术特点、难点和飞控需求，北京航天飞行控制中心天问一号型号团队确定和建立了一系列飞控关键技术与系统：

超大变时延开环控制技术——压缩地火时空距离。火星探测器距离地球最远可达4亿公里，一条信号往返地球与航天器最多可达44分钟，超大的时间延迟让地面无法沿用以往任务中的实时比判闭环控制模式，难以在确定指令发送执行情况后根据指令执行效果实施后续动作。为了克服这一阻碍，北京中心采用了超大变时延开环控制技术，设计了全新的超远距离测站捕获模式。比如当我们发令的时候，瞄准的不是航天器当前的位置，而是它在20分钟后接收指令时所到达的位置，这样当它就位后就可以准确收到。

地火空间精密定轨与预报技术——全面掌握天问位置。虽然我们知道，火星探测任务在测轨数据处理及修正方法、时空参考框架、轨道动力学模型等许多方面与以往近地飞行和探月任务有很大不同，但之前的任务积累还是为“天问一号”提供了助力。

型号团队设计了首次火星任务轨道动力学公用库和精密定轨原型软件，利用仿真打靶完成全过程定轨预报精度分析。他们利用嫦娥二号拓展试验数据，验证了地火转移段的部分轨道精度，确认了当前模型的算法设计能够满足任务轨道确定精度。能够为火星任务提供探索经验和技术支持，相信奔向更远深空的嫦娥二号应该也会感到欣慰。

火星探测应急轨道重构技术——精益求精力克十万“火急”。在航天任务中，轨道是牵引航天器的生命线，一旦飞船在飞行过程中出现问题，应急轨道重构就是它在异常情况下的安全保证。火星探测任务中存在的超长飞行过程，大量关键控制，较高唯一性的控制机会等众多限制条件，都对应急轨道重构技术提出了更高要求。为了让这个安全保障足够可靠周密，北京中心在发射窗口、运载以及测控等众多约束条件下，深入研究分析，不断做出优化调整，更全、更细、更可靠成了他们不懈的追求。

火星车遥操作任务规划技术——精准遥控，科学开车。经过探月工程中玉兔一号、玉兔二号的熟练操作，北京航天飞行控制中心已经拥有了一个熟练的“月球车驾驶员”团队，但是面对更遥远、环境更复杂的火星，要想开好这辆火星车，又会是一个新挑战。

火星车具有一定的自主能力，但是它要前往的目的地、选择的路径以及路途中的各种动作都需要地面的工作人员提前告诉它。在这方面，操作团队们就要扮演好“先知”的角色，通过对当前火星车所处环境的掌握、分析和规划，预测路径的安全性，否则石块沙丘都可能对它造成致命伤。

限制因素众多，合理的规划必不可少，为此，型号团队设计了基于预测状态的遥操作分层任务规划模式，实现了复杂条件下的资源调度、行为安排和冲突排解，不仅提高了规划作业的自动化程度，还提高了策略的正确性和可靠性。

除此之外，北京航天飞行控制中心还完成了火面遥操作工况评估与状态预测技术、深空探测干涉测量技术、基于国产化平台的测控硬件技术和新一代测控软件技术等难点攻关，成功在多轮内部联调和系统间的无线联试等试验中获得验证，为“天问一号”任务的正式执行打好基础。

作者：宋星文 李潇帆 郑蔚

编辑：赵征南

责任编辑：刘栋

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