天问一号实现一步“绕、着、巡”，依靠这些科技创新

文／付毅飞 何 亮

6月12日，国家航天局召开首次火星探测任务新闻发布会，我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥、任务探测器系统总设计师孙泽洲、任务地面应用系统总设计师刘建军、测控系统专家、北京航天飞行控制中心责任总师崔晓峰全面解读我国首次火星探测任务。

为何选择一步实现“绕、着、巡”这一方案

一步实现“绕、着、巡”。

谈及为何选择这一方案，我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥坦言，在论证之初就在想，我国探月工程“绕、落、回”三步走非常稳健，每一步都很精彩。那么，我们国家去行星际、去火星要如何干？

实际上对去火星的技术难度，科学家们心知肚明，了解得非常清楚。到目前为止，全球火星探测的整体成功率只有50%左右，着陆类的任务的成功率只有40%多一点，这是客观现实。

张荣桥透露，在论证初期，首次火星探测任务选择了一个风险相对较低的“环、绕”方案。但是对于这个方案，张荣桥和业界专家及参与论证的科研人员都”心有不甘“。

“因为跟国外相比，我们起步较晚，这是客观现实。但是在论证的时候，与国外还存在着不小差距的情况下，国家投钱让我们来干这么一件事情，我们的同志有个基本共识：不能仅仅考虑风险，更要考虑对航天技术发展和科学研究的牵引、带动作用，对国家整体能力的提升作用。拿我们今天的话来说，就是要体现出我们航天人的担当精神。“张荣桥说。

因此，在分析了各种因素，特别是载人航天、探月工程为火星探测奠定了一定的技术和设备设施基础，长征5号运载火箭又提供了必备的发射能力。

在此基础，大家就认为“踮踮脚、伸伸手”，尽管难度很大，但是一步实现”绕、着、巡“的风险是可控的。因此最后形成了我们国家火星探测“一步实现绕着巡，二步完成采样回”的总体发展思路。

一步实现绕着巡，意味着研制难度加大，说的白一点，失败的可能性增加了。

所以，在当天的新闻发布会上，国家航天局新闻发言人许洪亮特别提到，天问一号任务成功是全体参研参试人员八年来团结拼搏、不懈努力的重要成果。天问一号任务成功是新型举国体制制度优势的又一次生动体现。离不开党中央的坚强领导和前瞻决策、离不开各部门和单位的大力协同和精心组织、离不开专家院士们的超前谋划和积极推动、离不开航天精神的激励鼓舞。

13种科学仪器开启火星科学探测

为了开展火星科学探测，在火星车上配备了6种仪器，火星车雷达、磁场探测仪、成分探测仪、气象测量仪、多光谱相机和地形相机，其中，表面磁场探测仪将是国际上首次在火星表面进行移动的磁场测量，获得精细尺度的火星磁场信息。我国首次火星探测任务地面应用系统总设计师刘建军介绍说。

同时，国际先进的火星车雷达和表面成分探测仪，通过双频段全极化雷达获取火星浅层结构，探测可能的地下水/冰分布；通过激光诱导光谱方式，获取火星表面岩石的化学元素组成。

此外，多光谱相机、地形相机和气象测量仪，将感知火星表面环境，测量火星表面温度、气压、风速、风向和声音。

刘建军表示，目前，6种科学仪器均已开机测试获取探测数据，正在开展科学探测。我们将围绕水/冰活动、火山活动等关键科学问题，深入认识火星古环境特征和演化，研究古火星的宜居环境。

在环绕器上配置7种科学仪器也非常有特点。刘建军介绍，比如有一个双极化雷达、亚米分辨率的高分相机、500多个谱段的光谱分析仪、中分辨率相机，“这些都和目前国际上火星探测的最高能力处于同等水平”。另外还有磁强计、离子与中性粒子分析仪和能量分析仪，“他们主要是结合起来对磁场与粒子空间环境进行探测，为火星空间环境和大气逃逸机制研究获取第一手的资料”，刘建军说。

着陆与巡视环节有多项技术创新突破

“火星的着陆下降过程是我们此次任务风险最高的环节，这个环节中我们要面对不熟悉而且多变的火星大气环境，还要自主完成十几项关键动作，而且这些动作环节也是环环相扣的。”在发布会上，我国首次火星探测任务探测器系统总设计师孙泽洲直言首次着陆火星面临的巨大挑战。

孙泽洲介绍，从进入火星大气到最终着陆到火星表面，历时虽然只有9分钟，但是在这个复杂过程中要利用火星大气把相对于火星每秒4.8公里的速度减到为0，这就决定了这次火星着陆任务过程的难度。

如何解决这些问题？火星探测在技术上做了许多创新。

针对气动的影响，首先通过全新的气动力、热的实验方法研究，经过一系列算法和试验，最终建立起完备的气动力、热数据库，由此设计了与地球进入不同、与国外气动着陆外型也不同的全新气动外型。同时针对火星大气进入，采用了弹道升力的方案。提高对火星大气不确定性的适应能力，降低不可干预环境带来的风险。

“这样一个方案虽然可以很好适应火星大气环境不确定性，但是也面临很多难题。”孙泽洲表示，其中一个是进入过程中气动减速段需要一定的配平攻角，在开伞前我们又把这个攻角调回来，利于我们开伞尾流对称性，使开伞的风险更小。

针对这样一个难题，我国的火星探测任务在国际上首次采用配平翼的打开，利用火星大气阻力进行攻角调整。“这样一个方案，应该说，相比以往火星表面进入的方案，我们这个系统的重量只有国外的10%。这就是气动力、热方式以及我们技术方式上的创新”孙泽洲说。

巡视环节，火星表面巡视跟月球还有不同，火星表面呈现低光照，太阳光能量相对比较小。同时，火星表面容易出现沉陷。

怎么解决？

“首先是首次在火星上采用太阳能集热器技术，这个做法使我们对太阳能利用率达到80%，极大提高我们对太阳能利用效率，也为火星车在火星表面提供了很好的温度保障。”

而针对火星易沉陷得特殊地貌问题，则采用主动悬架系统。“这个系统虽然实现起来复杂，但是针对于可能的沉陷或者车轮故障，包括爬坡能力，可以得到进一步的提高。这样，我们可以主动改变我们移动的形态，实现车体抬升、车轮抬升甚至蠕动等等形态。而且一旦沉陷，可以实现多种移动方式实现脱困。”

这也是国际上首次在地外天体采用主动悬架移动系统，作用是更好适应我们在火星上稳健移动、可靠移动的目标。

此外，我国首次火星探测任务在星际通信、自主导航、自主管理等方面，在方法方案和技术上也都有创新。

测控技术了解决抓得着、看得清、控得准的问题

火星任务的测控系统主要是由地面测控站网及飞控中心组成，在火星探测中承担着对“天问一号”探测器以及“祝融号”火星车的跟踪、轨道测量、数据通信，解决抓得着、看得清、控得准的问题。

测控系统专家、北京航天飞行控制中心责任总师崔晓峰表示，通过我国首次火星探测工程的建设和实施，我国的深空测控体系建设、能力建设，都取得了长足发展和重要突破。

测控距离大幅延伸。在我国原有深空测控网基础上，完成了深空测控设备能力的升级，满足深空测控通信的技术指标和全新工作模式要求，同时新建成多天线组阵系统，对深空弱信号的接收处理能力大大增强，对探测器的跟踪、测量和数据传输能力，从探月工程的几十万公里扩展到火星任务的数亿公里。通过我国深空测控网所属的各个测控站和测控设备，可以实现对探测器的全时段跟踪覆盖，实现了我国首次行星际飞行的成功测控和可靠上下行数据传输。

测控精度有力保障。综合运用符合行星际空间与时间特征的轨道确定技术，以及增强的测量手段，测量精度大大提高确定。利用全球布站的深空干涉测量，取得测量基线长度更长、构型更丰富的优势，使得深空轨道确定和预报精度进一步提高，为近火捕获、两器分离、火星大气进入等关键控制，以及火面着陆以后巡视探测的成功精准实施提供有力支持。

飞行控制克难制胜。由于超长时延和弱信号的原因，地面飞控的模式比近地航天以及月球探测任务都有很大不同，并且大量环节都是机会唯一，只能一次性成功。此外，通过环绕器中继的方式对火星车进行遥操作控制，从状态获取到控制实施，以及天地设施的调度协同都增加了许多新的难度和挑战。在这次任务中，成功实现了超长时延、开环模式下的深空飞行器的飞行控制和行星表面巡视器的遥操作控制，做到了从地面对数亿公里以外的飞行器和火星车状态掌握及时、完整，操作控制准时、精确，实际结果与预定方案达到高度契合。总得来说，通过此次火星探测任务的成功应用，表明我国的深空测控能力和飞控体系完全能够满足行星际空间的跟踪、测量、通信、控制要求，能够为我国后续更多更远的深空探测任务提供坚实支撑。