天问一号任务的技术创新

张荣桥，耿言,*，孙泽洲，李东，钟文安，李海涛，崔晓峰，刘建军

1.探月与航天工程中心，北京 100190 2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094 3.中国运载火箭技术研究院，北京 100076 4.西昌卫星发射中心，西昌 615099 5.北京跟踪与测控通信技术研究所，北京 100094 6.北京航天飞行控制中心，北京 100094 7.中国科学院国家天文台，北京 100101

火星是太阳系中环境与地球最为相似的行星，可能保存着太阳系生命起源的时间和行星演化中灾难性变化的最好记录，对研究地球起源与演化具有非常重要的比较意义，是探寻地外生命、探索生命起源与演化等重大科学问题最有价值的目标之一；而且火星距离地球较近，是人类有望率先登陆的地外行星，因此一直是国际行星探测的重点目标，是除月球外人类探索最多的地外天体。

火星探测始于20世纪60年代。迄今，苏/俄、美国、日本、欧空局、印度、阿联酋、中国等7个国家(组织)发射过火星探测器。苏联于1960年发射的“火星1960A”是人类第1次向火星发射探测器；美国随后于1964年发射其第1个火星探测器“水手3号”；日本、欧空局和印度分别于1998年、2003年、2013年首次实施，阿联酋和中国于2020年发射首个火星探测器。以上共计实施了47次任务，其中，美国22次，苏/俄19次，欧空局2次，日本、印度、阿联酋和中国各1次。这些任务，成功和部分成功共25次，成功率约53%。

目前，在技术上对火星已实现掠飞、环绕、着陆、巡视探测，其中火星着陆难度最大，至今共实施22次，成功10次。美国实施10次，成功9次；苏/俄实施9次，仅1次着陆在火星表面，但仅存活了几分钟，通信就中断了；欧空局实施2次，均失败。难度更大的火星采样返回和载人探测仍有待突破。

中国首次火星探测(天问一号)任务起点高、跨越大，环绕、着陆、巡视3大目标互相耦合程度深，系统极其复杂，任务实施前无实际飞行经验，无一手环境数据，风险挑战巨大，是中国深空探测领域技术跨度最大、创新性最强的航天工程。

天问一号任务，在国际上首次通过一次发射实现火星环绕、着陆、巡视的3大目标，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。工程圆满成功迈出了中国行星探测征程的第一步，实现了中国航天器从地月系到行星际飞行的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，这是中国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展，一举使中国在行星探测领域进入世界先进行列。

1 任务概况

天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器构成，着陆巡视器由进入舱和火星车组成。于2020年7月23日12时41分，采用长征五号运载火箭，在文昌航天发射场零窗口发射，精准进入地火转移轨道。

与火箭分离后，探测器经过4次中途修正、1次深空机动，飞行202天，行程4.75×10km，于2021年2月10日与火星交会。在近火点成功实施火星捕获制动，进入近火点高度400 km、远火点高度1.82×10km、倾角11°、周期约10个地球日的捕获轨道，成为中国第1颗人造火星卫星。

捕获后，探测器经过数次轨道调整，进入近火点280 km且位于着陆点上空、远火点5×10km、倾角87°、周期2个火星日的停泊轨道。利用高分辨率相机对预选着陆区开展了93天的地形地貌详查，进一步确认着陆地形的安全性。在此期间，环绕器科学载荷开机，测试正常。

2021年5月15日凌晨，探测器实施降轨机动，进入火星进入轨道并为着陆巡视器建立进入姿态。着陆前约3 h，着陆巡视器与环绕器分离。环绕器随即升轨，返回停泊轨道。着陆巡视器继续弹道飞行，在距离火星表面125 km处进入火星大气，通过气动外形、降落伞、发动机反推等多级减速和着陆缓冲机构缓冲，于当日7时18分软着陆于火星乌托邦平原南部(109.9°E，25.1°N)。从进入大气到完成着陆历时约9 min，总减速量约4.8 km/s。着陆后，“祝融号”火星车随即自主完成桅杆、太阳翼、天线等设备展开，建立工作状态，并直接对地传回成功着陆信息。之后，进行着陆点环境感知，确认驶离条件满足任务要求。

2021年5月17日，环绕器由停泊轨道进入周期8.2 h的中继轨道，为火星车建立中继通信。

2021年5月22日10时40分，火星车驶离着陆平台，踏上火星表面，行走0.522 m。5月26日，火星车行驶到着陆平台东偏南约6 m处，拍摄了着陆平台影像；6月1日，火星车行驶至着陆平台南侧约10 m处，释放分离相机，拍摄了火星车后退移动影像及与着陆平台的合影；在此期间，火星车科学载荷全部开机，正常工作，火星车的巡视探测功能全部得到验证。

2021年6月11日，国家航天局发布天问一号探测器着陆火星首批科学影像图，宣布首次火星探测工程取得圆满成功。

火星车着陆点的南部区域据科学家推测为火星古海陆交界地带，地貌丰富，科学研究价值较高，科学研究团队决策让火星车向南行驶，开展巡视探测。

至2021年8月15日，火星车完成90个火星日的既定探测任务，通过6台科学载荷，获取行驶区域地形地貌影像，行驶路径上的磁场分布和地下剖面结构信息，土壤、沙丘、岩石等典型地物成分信息，气温、气压、风速、风向等气象信息，总共约10 GB原始科学数据。

2021年10月上旬，探测器进入火星日凌影响阶段。受太阳噪声影响，探测器与地面通信质量下降，环绕器和火星车暂停了科学探测，通过自主运行保证安全和健康。顺利度过日凌后，环绕器于11月8日进入遥感使命轨道，开始火星全球遥感探测，通过7台科学载荷，获取火星空间环境、地形地貌、表面物质成分、次表层剖面结构等信息。同时，兼顾为火星车提供中继通信。

2 突破性成就

首次火星探测任务实现了中国航天从地月系到行星际探测的跨越，特色突出，难度显著。一是任务起点高，技术跨度大，中国首次火星探测跨越了国外几十年的火星探测发展历程，一步进入到国际火星探测先进行列；二是任务环境新，不确定性大，尤其是制约火星着陆成败的大气环境缺乏第一手数据，为探测器的设计和研制带来很大挑战；三是关键环节多，固有风险大，3大目标串行实现，环环相扣，特别是着陆过程在9 min之内自主完成10多个模式切换和分离动作，每个动作执行结果都直接影响任务成败；四是环境模拟难，试验难度大，火星环境与地球差异很大，地面很难完全模拟，许多试验方法本身就是工程难题；五是飞行距离远，资源约束大，在火星轨道上接收的通讯信号强度比地月距离通讯衰减了10倍，在火星表面接收到太阳光强度仅为地球处的约1/3，大大制约了探测器的能力；六是研制周期紧，进度风险大，受天体运行规律的约束，火星探测每隔26个月才有一次发射机会，不容错过。

针对这些特点和难点，在有关各方的大力支持下，集中全国各方面的科研力量，集智攻关，突破了一系列关键技术，取得了大量创新成果，主要体现在以下8个方面。

2.1 国际上首次一步实现火星环绕、着陆和巡视

相比国际深空探测的发展，中国月球探测起步晚，火星探测起步更晚，在这一领域实现跨越发展是中国航天发展的迫切需要。基于中国航天工业的基础实力，大胆创新、审慎研究，提出了通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视探测的总体方案。

任务设计面临的突出问题是3个任务目标相互耦合下全局最优设计。火星环绕探测需要的轨迹漂移覆盖与巡视探测数据中继需要的轨迹回归需求相互制约，火星着陆时机选择与环绕阶段遥感探测成像条件相互关联，火星捕获设计不仅受到运载发射能力和二级滑行时间等条件制约，也直接影响到着陆当天的能源与通讯条件。这些发射、环绕、着陆、巡视等条件的强耦合关系，使得这次任务的轨道设计和飞行方案十分复杂。

为解决多任务强耦合问题，攻克了基于火星轨道漂移特性的捕获、进入、中继、遥感多任务多目标的轨道设计方案与关键技术，匹配和衔接了多任务飞行各阶段的需求，并对捕获安全、进入安全2个关键环节进行了重点保证。

2.2 首次实现中国地球双曲线逃逸轨道发射

地球与火星公转的会合周期为687天，理论上每个会合周期内仅有一个最佳发射时刻(所需能量最小)，考虑海南夏季台风频发的气候和短临不利气象条件对火箭发射的影响，综合运载火箭与探测器对发射窗口的适应性(运载能力一定的前提下，发射窗口越宽，探测器需携带的推进剂越多，相应自身重量资源越少)，确定了连续14天、每天30 min的发射要求。运载火箭系统采用每天连续3条弹道、每条弹道对应10 min发射窗口的窄窗口、多弹道的技术方案，发射场系统采用连续长周期特燃特气迭代保障等措施，提高发射准备可靠性。

为了保证多窗口下可靠发射，首次采用固定射向、固定基础级飞行时序、固定滑行时间的创新弹道设计，保证火箭飞行程序、弹道特征点参数严格一致，实现42条弹道共用一套控制系统参数(非迭代制导段)，显著降低了系统诸元设计、生成、验证难度，极大提升和保障了发射可靠性。同时共用一组航落区、一个安全管道，箭下点横向、纵向散布减小2/3以上，为上升段测控、航落区安全保障创造更好的条件。

地球卫星和探月任务发射的目标轨道为椭圆轨道，器箭分离前火箭采用半长轴关机方案，控制参数满足单调、连续变化的控制要求。但对于行星探测任务发射，目标轨道为双曲线地球逃逸轨道，半长轴参数在轨道由椭圆变为双曲线的瞬间发生突变，不满足关机控制要求。首次采用基于地球逃逸轨道能量C关机控制方案，首次实现中国运载火箭以第二宇宙速度高精度进入双曲线轨道的发射，实际入轨精度折算为速度增量，偏差仅有10量级，为后续行星探测发射实施创立新规范。

2.3 首次实现中国航天器行星际飞行

与地月转移飞行相比，行星际飞行距离远、时间长、环境变化大、状态变化多、摄动因素杂、自主要求高，轨道设计和飞行控制的复杂程度显著提高。探测器系统攻克了高精度高可靠飞行控制、大时延下自主管理和自主导航等关键技术，将中国航天器的飞行到达能力拓展到了行星际空间。

在地火转移阶段，为了最大限度地发挥运载火箭发射能力，采用了“深空机动+短转移”的地火转移轨道技术。在运载火箭发射倾角、二级火箭二次点火滑行时间范围的约束下，采用双重兰伯特方法求解不同发射窗口下的深空机动执行时机和速度增量解集，确定其中发射能力和火星捕获能量综合最优的转移方案，使得火星捕获后探测器剩余燃料最大。

在火星捕获和环火运行段，采用最优捕获控制技术，在实现安全捕获的条件下，同时满足了后续火星进入条件、火星遥感成像条件和测控弧段需求；突破了环绕器遥感使命轨道设计技术，利用火星环绕轨道近火点漂移特性保证在1个火星年内实现全球覆盖，通过合理的轨道回归特性设计，兼顾了火星车中继通信需求，并在国际上首次采用UHF/X双频段中继技术，进一步增加中继通信机会和带宽，大大提高了火星车拓展任务阶段的探测效率。

根据任务总体方案，制定了包含9次轨道机动、30余次轨道修正的飞行方案，设定了巡航、对火、中继、变轨等9种飞行姿态，覆盖了地火转移、捕获轨道、停泊轨道、进入轨道、中继轨道、遥感轨道等6类轨道，成功实现中国迄今最为繁难的飞行任务，为中国航天器行星际飞行探索了新经验。

2.4 首次实现中国地外行星软着陆

与地球再入相比，火星进入、下降、着陆(EDL)整体减速效率低，减速高程紧张。因此首次火星着陆任务采用了“气动减速-伞降减速-动力减速-着陆缓冲”四级串联减速技术路线，并在主气动减速段采用“弹道-升力式”的控制方式，以提高对火星大气环境、入口点参数和气动特性的偏差容忍度，实现更高的落点精度。针对首次火星着陆任务设计中面临的多学科交叉和耦合难题，建立了设计迭代改进流程和多学科综合优化方法，在全面掌握EDL相关分系统的性能边界和故障容限基础上，优化、提高了系统应对故障工况和进入条件极限拉偏下的安全着陆能力。

火星大气中二氧化碳介质对气动力、热影响的机理研究基础薄弱，国外火星大气研究文献数据零散，为此在对国内气动力热风洞设施进行改造基础上，开展了火星大气二氧化碳介质化学非平衡对气动力和热烧蚀机理的工程科学研究和试验验证，建立了全空域/速域气动力热数据库，开创了火星气动研究新领域。结合调研资料和机理研究的成果，合理确定了着陆过程大气环境约束，并设计了高弹道系数的全新短钝体进入舱气动外形。研制新型轻质防热材料，并在国际上首次采用超音速可展开配平翼技术，以很小重量代价(约为国外同类任务的1/10)解决了半弹道式进入配平攻角不利于降落伞开伞的问题。通过对EDL过程的飞行数据辨识和反演，实际飞行气动特性在设计偏差带范围内。

火星大气稀薄，气动减速剩余速度过高，进入舱必须在超音速条件下开伞，为解决短钝体外形跨音速段气动稳定性差的问题，降落伞首次采用大幅面锯齿形“盘-缝-带”伞。针对超音速、低密度条件下开伞速度快、载荷大、伞衣形态剧烈变化的特点，突破轻质高强度降落伞设计与制造、高密度包伞、高速低冲击弹射等关键技术，研制了中国面积最大、重量最轻、承载能力最高的超音速降落伞。

为克服超音速开伞、防热大底弹射分离等EDL过程的大冲击、高动态环境影响，发展了多信息融合智能决策导航技术，在大动态环境下实现了高精度、高容错导航，攻克了导航基准重构技术，消除了导航基准丢失带来的着陆风险。

降落伞减速完成后，进入舱在距离火星表面约1.5 km高度转入动力减速，采用首次研制的中室压变推力发动机实施减速和平台规避机动。动力减速过程中，通过新一代测距测速微波雷达、相控阵雷达和激光三维避障敏感器，实时感知器下点地形地貌，自主选择安全落点；采用基于干扰辨识和前馈补偿的姿轨一体化控制技术，实现动力下降过程推力方向的快速指向和轨迹高效高精度控制，实现落区的智能自主避障。

天问一号成功实现了火星软着陆，实际着陆精度达到千米量级，建立了匹配、协调的指标体系，全面掌握了火星EDL技术路线以及相关分系统和产品核心技术。

2.5 首次实现中国地外行星表面巡视

火星表面巡视主要面临的困难是在火星表面复杂地貌和气象条件下，安全、高效地开展移动和探测。

为提高移动脱困能力，在国际上首次采用主动悬架火面移动技术，解决国外火星车在轨曾经发生车体托底、车轮故障拖行、车轮沉陷无法脱困、松软坡道爬坡能力不足等问题，实现蠕动脱困和爬坡、抬轮移动、蟹行运动等特殊脱困功能。

针对火星表面弱光照、有风情况下对流漏热以及最低可达-123 ℃的极低温等特殊环境，突破了高效率太阳电池火星光谱匹配、除尘涂层、新型大功率最大峰值功率跟踪(MPPT)控制等新技术，实现供配电系统功率密度提升约30%；突破热能收集存储与利用、纳米气凝胶隔热等太阳能高效收集利用和散失控制技术，达到单个火昼可收集1 200 Wh热量、隔热等效热导系数小于0.015 W/(m·K)的水平。

针对火星车无法与地球实时通信的问题，为自主高效开展巡视探测，突破火星车自主移动技术，实现双目视觉图像匹配与地形重构、高精度视觉定位，复杂地形导航单元智能规划、多约束任务规划等功能。为了确保自主运行的能源、通信、热控等安全，实现了长期在无地面控制情况下，火星车针对环境变化的自判断、自保护、自恢复等自适应功能，大大拓展火星车火面生存能力。

火星车于2021年8月15日顺利完成90个火星日的既定探测目标，继续开展拓展任务，各方面状态仍然十分良好。相比以往巡视任务，其机动、脱困，能源利用，自主管理，火面生存等能力和水平跨上一个新台阶。

2.6 首次实现中国行星际测控通信

为实现4×10km的远距离测控和通信，在增强探测器和地面测控设施能力两方面开展技术攻关。

1) 增强探测器

突破了高灵敏度大动态码率自适应测控应答机技术，实现极低信噪比下快速载波捕获跟踪以及解调，接收灵敏度优于-157 dBm(优于国外-156 dBm 的指标)，缩短捕获时间超过95%；突破多体制深空中继通信技术，国际首次实现深空探测X频段链路中继通信，与UHF频段中继链路配合，实现在中继轨道近火点和远火点双节点的自适应中继通信，将中继数据量提升至500 Mbit/日，有效突破火星车对地数据传输瓶颈，为火星车高效探测创造良好条件。

2) 地面测控设施能力

(1) 地面通信设施方面:突破多天线组阵弱信号接收处理系统技术，在喀什新建3面35 m口径天线，与原有1面35 m口径天线组成多天线组阵弱信号接收处理系统，实现了多普勒动态范围170 kHz、32 bps极低码速率的解调，G/T值达到56.5 dB/K，与美国70 m单口径天线G/T值相当；在天津武清研制建设了亚洲最大的全可动天线——70 m口径天线，指向精度达到了7.2角秒，X频段天线效率达到72.1%(俯仰44°)，超过美国70 m天线最高68.7%的效率指标；通过70 m 天线和已有的北京密云50 m、40 m及昆明40 m口径天线进行异地组阵，达到等效口径103 m 的接收能力，成功实现2.6×10km,4 Mbps、4×10km,2 Mbps码速率数据接收，优于国外火星探测最大下行码速率4 Mbps(1×10km)和1 Mbps(4×10km)的水平。

(2) 测定轨技术方面:突破了行星际空间精密定轨与预报技术，开环测速精度达到0.05 mm/s(1 s积分)，甚长基线干涉测量(VLBI)时延精度达到0.1 ns，使得地火转移段测定轨精度达到2 km，环火段测定轨精度达到1 km，达到国际先进水平。为火星捕获、着陆进入的精确控制提供了基础保证。

这些新技术突破为后续任务测控通信能力建设和任务实施创立新标准。

2.7 首次获取中国一手火星科学探测数据

天问一号任务携带了13台高性能科学载荷，其中环绕器7台，开展火星全球维度的科学普查；火星车6台，开展火星表面局部维度的重点详查。通过两器的配合，首次实现火星空间遥感、近距离遥感、接触式多维度探测，获取了火星电场、磁场、光谱、大气、粒子、形貌、成分等多要素第一手科学数据。

通过环绕器火星矿物光谱分析仪和火星车表面成分探测仪，获取了火星表面物质成分信息。通过环绕器和火星车次表层探测雷达，获取了火星土壤的结构信息，包括厚度、分层情况等，并在火星浅表层探寻水冰。通过环绕器高分辨率相机、中分辨率相机和火星车导航地形相机，获取了火星地形地貌信息，结合水相地貌信息，通过火星车表面成分探测仪，寻找碳酸盐类矿物或赤铁矿、层状硅酸盐、含水硫酸盐、高氯酸盐矿物等风化成因矿物，研究水变质对这些矿物形成的影响，建立火星表面水相环境和次生矿物种类的联系，寻找火星历史上液态水存在的环境条件。通过环绕器磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪，获取磁场与粒子的联合探测信息，系统研究火星大气、电离层及其与太阳风的相互作用。通过火星车表面磁场探测仪与环绕器磁强计相互配合，探测研究火星空间磁场、电离层电导率等特性、电离层及磁鞘磁场小尺度结构及其动态变化过程。

科学载荷的功能、性能指标普遍达到、部分指标优于国际先进水平，获取了高精度、高指标的丰富科学数据，为取得原创性科学成果奠定了坚实的基础。

2.8 首次实现中国火星环境建模与模拟验证技术

针对火星环境不确知、无一手资料的难题，广泛调研国外火星环境研究成果、环境模型和任务飞行数据，充分调动国内优势研究力量开展相关工程科学研究和文献数据比对校验，考虑多种偏差来源，开展多模型、多工况分析计算，合理选取环境条件包络线，形成一套适用于火星探测器工程研制的火星空间环境和表面环境规范。

针对火星与地球环境差异巨大，难以进行地面模拟开展验证试验的问题，着力开展试验方法攻关，通过改造火星气氛风洞、研制新型试验火箭弹，利用多类多型飞机搭建试验平台、建设着陆悬停综合试验设施，寻找火星类似地貌等多种手段，突破了模拟超音速低密度条件的开伞验证、模拟有风低气压热环境的热平衡试验、模拟高温和动载荷环境的结构承载试验、模拟火星重力条件的动力下降着陆全系统验证试验、模拟火星大气介质影响的风洞下测力/测热试验，以及EDL过程综合建模设计与数字模拟等技术，在地面对探测器功能和性能进行了全面验证和考核。显著提升行星环境建模和模拟能力，建立一套行星环境不确知情况下，可靠开展环境建模的方法，以及在地面开展行星环境模拟试验的方法，建设、改造了一批试验设施，为后续行星探测创立新基础。

3 结论与展望

天问一号任务实现了中国行星探测零的突破，获取了一手火星探测科学数据，带动了国内行星科学研究取得显著进步，成功开启了中国行星探测的新征程。

天问一号任务的实施，构建了中国独立自主的行星探测基础工程体系，包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍，所突破的多目标复杂任务总体设计、地球逃逸轨道发射、行星际飞行与行星捕获控制、稀薄大气天体进入下降着陆、火星表面操控、遥感和就位探测科学载荷、远距离测控通信、特殊环境建模与地面模拟试验等关键技术和取得的行星探测实践经验，为后续小行星探测、火星取样返回、木星系及行星穿越任务的实施奠定了坚实的工程基础。