GO！去火星！中國開啟首次自主火星探測

從2020年7月中旬開始，不少國家都開啟了排隊去火星的行程，最先拉開序幕的是阿聯(lián)酋航天局，7月20日5點58分，阿聯(lián)酋航天局的“希望號”火星探測器從日本鹿兒島縣種子島太空中心發(fā)射升空。

與此同時，7月17日長征五號遙四運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場完成了技術(shù)區(qū)總裝測試工作，已垂直轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)，計劃近期擇機(jī)實施中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”。而大洋彼岸美國宇航局的“毅力號”也將于7月30日發(fā)射升空。

神秘美麗的火星 來源/網(wǎng)絡(luò)

探測器如何實現(xiàn)地球到火星的跨越？

這次發(fā)射的火星探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，探測器發(fā)射約5～6h之后，會穿越地球磁層頂，進(jìn)入行星際空間，隨后便開始為期約7個月的漫長的飛行過程，全力奔向火星，這一過程也就是地-火轉(zhuǎn)移過程?；鹦翘綔y器經(jīng)過漫長旅途，到達(dá)火星后，經(jīng)過多次變軌進(jìn)入環(huán)火軌道，并向火星表面釋放火星車，開展火星表面的巡視探測任務(wù)。

環(huán)繞火星飛行的環(huán)繞器要與著陸巡視器分離，進(jìn)入任務(wù)使命軌道，開展對火星全球環(huán)繞探測，也為著陸巡視器開展中繼通訊。著陸巡視器進(jìn)入火星大氣后，通過氣動外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動機(jī)動力減速、著陸緩沖后，軟著陸在火星表面。

一位藝術(shù)家描繪的空中吊車下方懸掛著好奇號火星車，準(zhǔn)備在火星表面著陸時的場景（NASA/JPL-Callech）

火星探測，著陸是關(guān)鍵

火星大氣層與火星地表存在著與地球明顯不同的空間環(huán)境，這對探測器著陸火星表層提出了很大的考驗，也是擺在科研人員面前的一道難關(guān)。

為了保證著陸巡視器能安全、平穩(wěn)地降落在火星上，科學(xué)家為其設(shè)計了四個關(guān)鍵步驟：

第一步，氣動外形減速。使其在進(jìn)入火星稀薄的大氣時，能產(chǎn)生足夠大的阻力，并且還不會翻車、亂撞、倒向飛行；

第二步，降落傘減速。著陸巡視器配備了一個全自動的降落傘，在減速到一定程度時，它會自動打開；

第三步，動力減速。著陸巡視器攜帶的發(fā)動機(jī)會在合適的時機(jī)在運動的反方向啟動，對其產(chǎn)生反推力，從而達(dá)到減速的目的；

第四步，當(dāng)運行到距離火星表面100米左右時，著陸巡視器的速度要減到相對為零，進(jìn)入懸停狀態(tài)，利用探測器所攜帶的相關(guān)儀器設(shè)備，對下方的著陸區(qū)進(jìn)行選擇，盡量尋找相對安全的地方著陸。到了距離火星表面一兩米的時候，著陸巡視器會啟動一個著陸緩沖裝置，俗稱“著陸腿”，靠它來降低著陸時產(chǎn)生的振動力。

著陸巡視器外觀設(shè)計構(gòu)形

此次火星探測的難點

火星探測器飛行距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離地球4億公里；飛行時間長，地火轉(zhuǎn)移飛行約7個月，環(huán)火探測長達(dá)2年；同時受地球、火星、探測器相對運動和地面站分布的影響，測控通信難以全空間覆蓋；在環(huán)火探測中會經(jīng)歷2次日凌，通信中斷最長達(dá)到30天；測控信號傳輸時延大，最短3分鐘，最長達(dá)23分鐘，特別是在執(zhí)行近火捕獲、兩器分離等過程中，需要軌道控制，機(jī)會只有一次，決定著成敗。

探測器距離地球約3億公里，信號時延15分鐘以上，由地面進(jìn)行實時測控干預(yù)的條件已不存在，探測器必須自主執(zhí)行預(yù)先注入的指令，并自行判斷指令執(zhí)行的效果，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須在極短時間內(nèi)根據(jù)自測量信息，進(jìn)行自診斷，并完成故障的自恢復(fù)，對探測器自主導(dǎo)航、管理與控制的能力提出了更高要求。

為此，研究人員開展了火星安全捕獲制動控制，兩器分離與安全升軌控制、長期自主管理和控制策略與方法等專題研究和驗證，提升探測器的自主能力。

中國的“天問一號”VS美國、阿聯(lián)酋探測任務(wù)

今年，我國就將實施火星探測任務(wù)“天問一號”。按照計劃，火星探測器要一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務(wù)，這也標(biāo)志著我國行星探測的大幕正式拉開。

我國實施的首次火星探測任務(wù)，目標(biāo)是獲得最新的火星探測成果，深化人類對火星乃至太陽系的科學(xué)認(rèn)知，推進(jìn)對比較行星學(xué)等重大問題的研究。

探測器總質(zhì)量約5t，環(huán)繞器配置有分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀共7臺科學(xué)載荷，對火星進(jìn)行全球性、普查性探測。著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成，進(jìn)入艙完成進(jìn)入、下降、著陸任務(wù)；火星車配置多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機(jī)共6臺科學(xué)載荷，在著陸區(qū)開展巡視探測。

中國的火星探測致力于探尋火星生命，評估整個火星表面的環(huán)境，環(huán)繞器將形成火星表面的地形圖，其中包括土壤特征、物質(zhì)組成等相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)。

火星紅色的地表

阿聯(lián)酋的火星任務(wù)是通過表征火星低層大氣來了解氣候動態(tài)和全球天氣圖；通過將低層大氣條件與高層大氣相聯(lián)系，說明天氣如何改變氫和氧的逸出；了解高層大氣中氫和氧的結(jié)構(gòu)和變化，并確定氫和氧為何會從火星逃逸至太空。

美國“毅力號”探測車的主要任務(wù)是繼續(xù)探索火星上是否有生命存在過，采取樣本以待未來送回地球，交給科學(xué)家分析。此外，它還將描繪火星的氣候和地質(zhì)特征，為人類未來登陸火星做好鋪墊。

美國“毅力號”火星車 來源/網(wǎng)絡(luò)

作者| 錢航 中國航天科技集團(tuán)

審稿人| 賈陽 中國航天科技集團(tuán)五院火星探測器副總設(shè)計師

文章由騰訊科普“全民愛科學(xué)”團(tuán)隊推出

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