[科普中國]-火星上的中國印記丨天問一號成功實施火星捕獲！

近日，由中國航天科技集團有限公司研制的我國首次火星探測任務“天問一號”探測器總飛行里程超過4.5億公里，距地球約1.7億公里。2月10日19點52分，“天問一號”將進行近火制動（俗稱“剎車”），開啟環(huán)繞火星之旅。

2020年7月23日，長征五號火箭從海南省南部的文昌航天發(fā)射基地發(fā)射，飛向火星，將“天問一號”火星探測器送上火星，該任務的旅程將持續(xù)7個月，目標是在2021年將火星探測車降落在火星表面。

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圖源：國家航天局官網(wǎng)

“天問一號”火星探測計劃

“天問一號”是我國獨立開展星際探索的第一步，是我國首個火星探測任務，如果“天問一號”順利著陸，巡視器將與火星上空的軌道器配合工作，在單次任務中同時完成其他國家要分三次完成的環(huán)繞、著陸和巡視三大任務。

首先“天問一號”要在火星軌道環(huán)繞，利用衛(wèi)星上放置的七臺儀器全面了解火星；然后著陸火星釋放一輛火星車，車上放了六臺儀器精細地探測火星。期間，火星車通過攜帶的地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀、表面磁場探測儀和氣象測量儀對火星的地形地貌、地下水、地下冰層分布、土壤成分及分布、磁場、大氣層及氣候變化進行探索，對火星重點地區(qū)進行詳細探查，實現(xiàn)天上、地上聯(lián)合考察火星的計劃。

火星與地球間距離呈周期性變化，最近時約5000萬公里，最遠時可達4億多公里。“天問一號”探測器從地球出發(fā)后，是以一個弧形的軌道追逐火星，而在追逐的過程中，地球和火星也都在繞著太陽運動，因此探測器飛行的里程一定比它與地球間的距離更遠。經(jīng)過計算，“天問一號”抵達火星附近，總的飛行里程將達到4.7億公里。

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火星車三維仿真圖

圖源：中國軍網(wǎng)

“天問一號”探火初心

“天問”一詞出自屈原的長詩《天問》，詩中發(fā)出“日月安屬？烈星安陳？”的仰天嘆息，代表了中華民族對自然科學的渴望和探索浩瀚宇宙的決心?；鹦亲怨乓詠砭褪侵匾挠^測對象，中國最早的文字記載出現(xiàn)在商朝末期：這顆星球熒熒如火、飄忽不定，故曰“熒惑”。人類最早探測火星是出于好奇，從望遠鏡里看到的火星也總是讓我們遐想，因為火星的地貌跟地球有相似之處，且曾經(jīng)從望遠鏡里發(fā)現(xiàn)火星似乎有水的形態(tài)存在，它的地質(zhì)變遷似乎類似于地球，所以人們想到火星上去探探究竟。但遺憾的是，數(shù)十年來，登火失敗率非常高，直到近幾年人類才有機會近距離觀察火星。而我們中國也希望能夠有這樣的機會來探測火星的秘密，探尋火星上是否有生命存在的跡象，有助于我們更加深刻地了解太陽系甚至整個宇宙，提升我國整體的航天水平。

“天問一號”如何到達火星？

“天問一號”探測器重約5噸（含燃料），由一個環(huán)繞器和一個著陸巡視器組合體組成?！疤靻栆惶枴庇砷L征五號發(fā)射，由于長征五號的運載能力非常大，可以直接將“天問一號”送入地球和火星的霍曼轉(zhuǎn)移軌道而不經(jīng)過變軌，因此可以節(jié)省很多探測器燃料。

在“天問一號”進入地球與火星霍曼轉(zhuǎn)移軌道后，將會經(jīng)過長達7個月左右的飛行。

2021年2月11日“天問一號”將到達霍曼轉(zhuǎn)移軌道的遠日點，正好與火星的公轉(zhuǎn)軌道相交?！疤靻栆惶枴钡娘w行速度是第二宇宙速度，因此無法被火星引力捕獲，這時“天問一號”就需要用發(fā)動機來進行減速讓火星可以捕獲它。被火星捕獲后“天問一號”進入環(huán)繞火星的一個大橢圓軌道，之后在大橢圓軌道離火星最近距離的地方再次減速進入一個小橢圓軌道。在進入火星的小橢圓軌道后“天問一號”可以根據(jù)任務需求進行變軌，由此，“天問一號”開始對火星進行探測，對火星車可能的著陸區(qū)進行重點拍照分析。

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圖源：央視新聞

“天問一號”的難點在哪里？有多難？

“天問一號”被火星捕獲是整個任務中技術(shù)風險最高的環(huán)節(jié)之一，且只有一次機會，如果“剎車”早了，探測器速度降得過低，會墜入大氣層撞擊火星，而“剎車”晚了，探測器就會錯過火星，直接飛向更遠的深空。

聽起來容易，但這“剎車”可不是簡單的開一下反推裝置的事。嫦娥五號抵達月球后進行了一次“剎車”，完成了近月制動，著陸器和上升器也在月球表面實現(xiàn)了軟著陸，看似與火星探測器著陸過程類似，但“天問一號”近火制動則難度大得多。

首先，月球沒有大氣層，不用考慮大氣對航天器的影響，而火星表面覆蓋著稀薄的大氣，進入火星的過程中，要利用大氣減速，但我們對火星大氣了解還不夠。

其次，地球到火星的最近距離是月球的130多倍，最遠的距離是到月球的9800多倍，距離太過遙遠，探測器必須具備足夠的智能，判斷所有突發(fā)情況，需要自己判斷開機與執(zhí)行剎車的時間。著陸過程大概持續(xù)7分鐘，通信時延超過了10分鐘，也就是說信號從火星到地球傳輸一個來回需要約20分鐘，因此地面不能做任何的實時控制和干預，不可能從地球發(fā)送指令，只能在一個小時后通過遙測數(shù)據(jù)得知有沒有成功的剎車。探測器必須具備足夠的智能，判斷所有突發(fā)情況。

“一旦進入，就必須按照預定時序和節(jié)點銜接，出現(xiàn)任何問題都無法人工干預，地面人員來不及進行數(shù)據(jù)判讀和發(fā)送指令?！敝袊教炜萍技瘓F五院研究員 、“天問一號”探測器總設計師孫澤洲說。

孫澤洲還表示，“天問一號”探測器之所以著陸比飛向火星、環(huán)繞和巡視更難，是因為這個過程“短暫而唯一”，沒有第二次機會，錯過無法彌補。“其他幾個過程在時間上都沒有那么苛刻的條件，遇到狀況可以等一等，但著陸的過程沒法暫停?！?/p>

因此，“天問一號”探測器登陸火星可不只是看起來的到火星上溜達一圈那么簡單，整個過程就是上演了真實的“難如登天”。

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圖源：美國國家航空航天局

我想，大家不會忘記2020年國慶、中秋雙節(jié)之際，“天問一號”首次傳回來的深空“自拍”，圖上的五星紅旗在夜空中耀眼奪目！此時此刻，我們共同期待五星紅旗于火星上空飄揚的那一天！

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圖源：中國航天科技集團

作者丨關曉 科普作者

審稿丨黃宇 北京市科學技術(shù)情報研究所

文章由騰訊“全民愛科學”團隊推出

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