八大关卡：“天问一号”到了哪一关

毛新愿

第一关：必须抓住的发射窗口

跟火星比起来，地球距离太阳更近，环绕太阳一周需要约365天，火星则需要约687天。这种“不同步”导致地球和火星之间的距离在时刻变化，从5 500万千米到4亿千米不等。从地球视角来看，二者每约780天才会合一次：在780天内地球绕太阳运行了2周49°，恰好超过了火星一周，二者距离达到一次最近。

人类航天虽然经历了数十年发展，但运载火箭依然以利用化学能为核心，远达不到科幻电影中无视星际旅行距离“横冲直撞”的设定。因而，火星探测器的发射时间要求很苛刻，必须在每次地球和火星会合之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发，瞄准6～11个月之后火星的位置，开启火星探测之旅。

由于每次地球和火星会合机会带来的理想探测窗口仅有一个月左右，探测任务如果赶不上出发，就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命且有着巨大保管维护成本的探测器而言，是很难接受的。

第一关，“天问一号”已经完美通过！

第二关：强力的运载火箭

在人类航天探索中，航天器的速度是最重要的核心。

想实现火星探测，意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度，完全摆脱地球引力，还要在此基础上进一步加速，在抵达火星前尽力摆脱太阳引力的巨大影响，而太阳的质量是地球质量的30余万倍。这对探测火星的运载火箭要求极高，基本都是各国最为强力的火箭系列。即便如此，探测器占火箭总体质量的比例都在1%以下，绝大部分质量都用于装载推进剂，这是人类航天梦想的巨大代价。

对于总重5吨左右的“天问一号”而言，带它前往火星的就是长征系列中最强的长征五号遥四运载火箭。

第二关，长征五号遥四运载火箭托起“天问一号”飞向火星的梦想已经实现！

第三关：霍曼转移轨道

1925年，德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士提出了著名的霍曼转移轨道。他或许没有想到，这个理论成为后来人类几乎所有火星探测任务的基础。

霍曼转移轨道理论认为：在从地球出发时（假设地球、火星均为圆轨道），探测器需要达到32.7千米/秒的速度，超过地球本身的运动速度（29.8千米/秒），加速；在抵达火星时，探测器速度为21.5千米/秒，低于火星运动速度（24.1千米/秒），再次加速。不过由于火星引力加速和大部分任务目标是环绕火星等原因，“再次加速”实际上是在火星附近的制动工作，以切入环绕火星轨道。飞行过程中，为应对外力可能造成的轨道偏移，也仅需推进系统进行短暂的工作微调，绝大部分时间自由飞行。

整体上，霍曼转移方案非常简单，轨道是半个椭圆，连接了地球轨道和火星轨道，全程需6～11个月时间。它能够最大限度节省推进剂，最大限度减少操作，是人类火星之旅的最优方案。

第三关，“天问一号”已经在切入霍曼转移轨道的路上。

第四关：深空导航制导与控制

茫茫深空，漫漫长路，此前各个探测任务采用的霍曼转移轨道普遍在4亿～7亿千米的长度，6～11个月的旅程。“天问一号”的轨迹耗时7个月左右，预计于2021年2月中才能抵达火星，需要走过的路已经远远超过了中国此前的航天任务。

一方面，在出发阶段，需要陆基测控站和万吨级远望系列航天测量船全程保驾护航。出发后，需要庞大的深空探测天线网络覆盖整个天域，保证它在整个探测火星过程中都能跟地球有效通信。要知道，“天问一号”距地球最远的时候，地球和火星距离将达到 4亿千米，这个距离单程都需要光速飞行22分钟！另一方面，“天问一号”也需要自主导航和控制，精准确定自身位置和姿态。例如利用恒星敏感器把自己的姿态确定到角秒级的精度。

第四关，地球上的中国航天人和太空中的“天问一号”正常通讯中。

第五关：“绕”“落”“巡”，一个都不能少

人类探测火星60年来，共有四种任务类型：惊鸿一瞥的“飞掠”，登高望远的“环绕”，观天测地的“降落”和自由移动的“巡视”。其中，“飞掠”仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用，另外三种是近些年来的任务类型主力。

其中，环绕器（轨道器）能长期环绕火星，采集海量的数据，全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等方面，还能起到信号中继作用，服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。着陆器能仔细研究火星表面的各种细节，但由于重量和自身能量限制，无法移动和自由巡视。巡视器可以随处移动，意义不言而喻，它的质量能更多集中于科研载荷，从事多地点、多方面的精细研究。

一般而言，火星探测任务都会采取“绕”“落”“巡”分開的形式以降低难度。即便如此，几十年来人类探测火星的任务成功率仅有一半左右。而这次“天问一号”的选择是：“‘绕‘落‘巡我都要！”它包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分。

第五关，极度复杂的火星探测任务正在路上。

第六关：切入轨道，静待时机

经过近7个月的长途旅行后，预计在2021年2月中旬，火星将出现在眼前，“天问一号”也将被火星引力俘获。环绕器此时要执行最为关键的一步：制动进入环绕火星轨道。为最大限度节省推进剂，“天问一号”的三个部分将会整体进入环绕火星的大椭圆轨道中，没必要追求更消耗推进剂的圆形轨道。

这个方案不同于进入21世纪后的欧洲两次类似任务。它们都是抵达火星后立即分离，着陆部分并不进入环绕火星轨道。这样做虽然可以大大降低环绕器的制动变轨压力，但代价也是惨烈的：火星快车号和微量气体探测器任务的着陆部分均宣告失败。重要原因之一是，给着陆留下的选择窗口太短，因而“天问一号”并不采用这种方案。

在随后环绕火星的约两个月内，是“天问一号”的环绕器最为繁忙的时间。它需要逐渐开启自身的7个有效载荷，认真研究火星表面的情况，反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后，二者分离，环绕器继续在轨工作，着陆器携带巡视器开始最为艰难的火星着陆之旅。

第六关，环绕器是重中之重！

第七关：恐怖7分钟

由于距离过于遥远，地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟，且火星着陆时间一般仅在7～8分钟，地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程，这一切全要靠着陆器自己完成。

火星有大气，但又特别稀薄。这成了航天人又爱又恨的因素：一方面，可以利用大气气动减速，使用降落伞；另一方面，必须找准进入角度，过大着陆器会过热焚毁，过小会打水漂一样滑入深空，根本无法着陆。更重要的是，火星大气的密度太低了，甚至还不足地球大气层的1%，即便最大极限地利用了火星大气减速，依然无法把速度降到理想状态，要想着陆火星必须自带反推火箭。

第七关，“刀尖上舞者”着陆器要在火星表演着陆艺术。

第八关：巡视器出发，开机工作

“绕”“落”“巡”的串联任务终于进行到最后一步。着陆器稳定着陆后，将会与环绕器联络，确定工作状态，上传记录的全部数据，传回地球。一切确认后，着陆器将放出导轨，巡视器开机，积累到足够能量后，行驶抵达火星表面，开始工作。

探测火星不仅是工程任务的突破，更是行星科学领域的突破。除了常规的通讯、能量来源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，“天问一号”整体上携带了13种科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，6个在降落火星表面的巡视器上。它们共有五大科研目标，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。

第八關，美丽的火星，“天问一号”将看到它的真面目。

人类探测火星60年，胜率不到一半，这是一个高风险，却是代表着人类最美丽、最绚烂航天梦想的存在。“天问一号”，我们祝福它在余下的闯关过程中，一切顺利！