飞奔火星 三步并作一步迈

　　火星是地球的邻居，但这个邻居并不算“近邻”。地球到月球的平均距离为38万公里，但地球和火星之间的距离最远达到4亿公里。人类火星探测进行了60年，所有探测成功率仅一半左右，难度可想而知。

　　作为我国首次执行火星探测任务，目标是通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测三大任务。中国科学院国家天文台研究员郑永春表示，既有轨道器环绕火星，又有着陆器登陆火星，还有火星车巡视火星表面，这种“绕着巡”三合一的探测方式，技术将更复杂，任务难度也更大。

　　根据计划，“天问一号”探测器将于2021年2月11—24日环绕火星运行，并于2021年4月23日降落一台火星车到火星表面，进行时长90天的探索工作。

　　绕

　　环绕器切入火星轨道要精准

　　从理论上看，向火星发射探测器并没有时间限制，但由于人类的火箭技术约束，发射探测器只能在火星冲日大约数月前发射。

　　在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。

　　若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是每秒10.9千米，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度每秒11.2千米。

　　“因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的长征五号运载火箭。在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭‘星箭分离’，独自飞向火星，这段旅程大概需要6-7个月。”全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示，如果一切顺利，探测器预计于明年2月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。

　　若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。

　　落

　　恐怖7分钟考验着陆器自主能力

　　在成功切入火星轨道后，“天问一号”将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将每秒4.8千米的超高速，减到火星着陆时的0，这个过程只有7分钟左右。

　　“火星探测最大的难点是在火星着陆，探测器要经历入轨、下降与着陆过程，这一过程通常被称为恐怖7分钟。”庞之浩表示，在火星稀薄的大气环境下需要用7分钟将探测器速度从2万千米/小时降低到零，这需要包括气动减速、降落伞减速和反推减速等多种减速手段融合实现，每个环节都必须精准无误，其难度不亚于“在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里”。

　　据悉，“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约290秒内将速度从每秒4.8千米迅速降低到每秒460米。接下来探测器将打开降落伞，在大约90秒后，速度会降到约每秒95米。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在80秒内将速度降到每秒3.6米以下。当探测器距离火星表面约100米高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。

　　降落任务的最大优势是能仔细研究火星表面的各种细节，尤其是对水、气象、底部大气、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。

　　火星降落最典型特点是着陆系统需要完全自主导航控制完成着陆之旅。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右，远不够完成一次地火通讯，这意味着全程多个复杂的动作必须依靠着陆器自主完成，对软件和硬件的要求极高。

　　巡

　　恶劣环境挑战火星车生存能力

　　如果探测器着陆一切顺利，接下来的火星探测工作就要看巡视器了。

　　巡视器又名火星车，它相比不能移动的着陆器而言，最大优势在于可以随处移动，意义不言而喻。由于不带有固定着陆器必须携带的推进剂储罐、着陆腿、支撑结构、控制机构等复杂部分，巡视器可以集中于科研载荷，从事多地点多方面的精细研究。

　　当然，巡视器想要顺利开展工作也并非易事。“火星上的沙尘暴很大，是地球上12级台风造成影响的6倍，这些飞沙会覆盖火星车的太阳能电池板，致使其无法正常工作。历史上，美国第一代和第二代火星车都是受沙尘暴影响而停止工作的。”庞之浩表示，这就需要充分提高能源的利用率，包括高效太阳能电池技术及高效蓄电池技术，提高能源系统功率质量比，如太阳能电池板尽量要大一些，光电转换效率要更高。

　　除此之外，火星车的移动也面临许多不确知的环境影响，主要表现在我们对火星表面构造的力学特性还知之甚少，这些特性直接跟火星车的移动能力相关；火星表面石块分布密集，自主行驶的火星车被石块卡滞的风险不小；火星常态化的沙尘天气会让火车车更易发生车轮卡死情况；火星表面的石块环境对车轮轮缘的强度、耐磨性提出更高要求。

　　近些年来，火星车成为火星探测的核心，复杂程度越来越高，待机工作时间也越来越长。“天问一号”火星车的设计寿命为90个火星日（一火星日约为24小时40分钟），将成为中国航天者向太空发问的第一步，也是中国航天走向深空的里程碑。

　　火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星，了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。如果“天问一号”探测任务成功完成，将为我们提供关于火星的大量全新信息。从科学上讲，“天问一号”是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。