火星你好，中国来了！
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2020-08-12 17:50
火星你好，
中国来了！
看视频，见证激动人心的一幕↑↑↑。视频来源：@新华视点
2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。
“天问一号”任务火星探测器由中国航天科技集团五院抓总研制，发射升空后将经历7个月左右的长途跋涉，突破极其遥远距离，到达火星并开展环绕和巡视探测。
发射深空探测器，需要运载火箭提供足够的发射能量，使探测器获得足够大的初始速度。在分离速度确定的条件下，重量越大的探测器，所需要的发射能量也越大。
在长征五号火箭出现之前，当时运载能力最强的长征三号乙火箭，大约可以将两吨左右的探测器送入地火转移轨道，而长征五号运载火箭的地火转移轨道发射能力，超过了5吨。因此，发射“天问一号”任务的大号探测器，只有“胖五”能够胜任。
长征五号运载火箭2006年国家正式批准立项研制，2016年11月3日在文昌航天发射场首飞成功，可谓十年磨一“箭”。长征五号运载火箭外形巨大，总长约57米，箭体直径达到5米，而此前我国现役火箭箭体直径最大的只有3.35米，由于其显著粗壮的外形，被网友亲切成为“胖五”。
长征五号不仅是我国最高、体积最大的火箭，也是运载能力最强的火箭。长征五号火箭起飞质量约870吨，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨运载能力，比长征三号乙火箭运载能力提升了2.5倍。长征五号首飞成功，大幅提升了我国自主进入空间的能力，把中国火箭送入包括美国和俄罗斯在内的世界主流火箭阵营。中国未来的载人航天工程空间站建设、探月工程三期以及火星探测任务，都将使用长征五号运载火箭。
此次发射最大的看点是“胖五”将首次飞出11.2千米/秒的第二宇宙速度，托举探测器完全脱离地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也称为逃逸速度，达到这一速度的航天器将成为围绕太阳运行的人造行星。
“此次发射火星探测器，是长征五号火箭第一次达到并超过第二宇宙速度，飞出了我国运载火箭的最快速度。”长征五号火箭总设计师李东介绍说。
“胖五”提供的发射能量（也就是分离时探测器动能和势能的总和）将是探测器飞往火星的主要能量来源。探测器与运载火箭分离后，将开启漫长的奔火之旅，大约要飞行7个月的时间，期间还需要经过中途修正，修正轨道偏差。
在靠近火星附近时探测器将实施制动，实现被火星的引力场所捕获，进入周期约10个火星日的环火椭圆轨道，再择机实施轨道机动，进入周期约2个火星日的椭圆停泊轨道，完成着陆区预先探测和着陆点调整后，择机释放着陆巡视器。环绕器随即进行轨道调整，进入中继通信轨道。
着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲，软着陆于火星表面。巡视器与承载平台分离，在火星表面开展巡视科学探测。
“天问一号”将一步完成
“环绕、着陆、巡视探测”
我国首次火星探测任务起步虽晚，但起点高、跨越大，从立项伊始就瞄准当前世界先进水平确定任务目标，明确提出在国际上首次通过一次发射，完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。如果这一目标能够顺利实现，我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。
据航天科技集团五院深空探测领域专家介绍，由该院抓总研制的“天问一号”任务火星探测器，由环绕器和着陆巡视器组成，其中着陆巡视器又由进入舱和火星车组成，进入舱完成火星进入、下降和着陆任务，火星车配置了多种科学载荷，在着陆区开展巡视探测。
通过首次火星探测任务的实施，我国将验证火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，为建立独立自主的深空探测基础工程体系夯实基础，推动我国深空探测活动可持续发展。
第一关：
捕获！火星快抓住我
“天问一号”将作为我国第二个进入环太阳轨道（第一个是“嫦娥二号”）的深空探测器直飞火星，想要让它能安然被火星捕获，就需要分别克服几个难点：
1、捕获问题
火星的质量比较小，其引力捕获范围也比较小，想要被火星捕获，就需要极其精确的轨道才能实现。不过按照此前“北斗”系列卫星高超的发射精度来看（同步转移轨道远地点精度2公里，相当于近地点速度仅有每秒几厘米的差异），这显然不是问题；
2、通讯问题
火星与地球的距离在5000万公里到4亿公里不等，考虑到被火星捕获的时候两个星球之间的相位，显然，比起“嫦娥”系列任务38万公里的距离而言，是数百倍的差距。如此深远的距离导致探测器天线发出的信号将变得十分微弱，因此需要地面构建深空探测网络（Deep Space Network, DSN）。
我国的DSN已经初步建成，而且证明了其能力：几年前我国利用这套系统跟踪飞出地月系的“嫦娥二号”，直到8000万公里的深空，依然能够与之通讯；如果把标准放宽一点，仅仅是追踪航天器的话，2015年，我国研究团队就已经测量到了47亿千米外的“新地平线号”探测器。同时，随着今年70米口径深空天线在天津落成，以及与欧空局的深度合作，我国深空探测通信的问题显然也已得到解决。
第二关：
制动！进入环火星轨道
“天问一号”被火星捕获之后，为了能够进入环火星轨道，需要其能够在近火星点进行制动，进入一个环绕火星的椭圆轨道且长期保持运行。
在被火星引力捕获的30颗探测器中，除去3次飞掠任务与7次不进入轨道直接进入火星大气层着陆的任务之外，仅有3颗卫星进入环火轨道失败，这其中既有探测器本身的因素，也有人为的因素。在此阶段的难点主要在于：
1. 指令注入问题
在进入环火轨道的阶段，地球与火星的通信延迟在十几分钟，这就意味着我们无法通过人工即时操作，只能预先注入指令的办法来控制探测器。不过这个问题对于一个已经发射了数百颗人造卫星的国家而言不是难事，这与日常的发射任务的控制原理本身就是一样的。只要不发生上世纪末美国的“火星气候探测者”探测器因为控制系统采用公制单位，而地面人员注入了英制数据导致其直接进入火星大气焚毁的低级错误，那么这就不是问题。
2. 器件寿命问题
我们注意到，之前有两次失败任务是由器件损坏引起的，不过这两次失败的任务都发生在上世纪七十年代，随着人类技术的不断提升，这个问题也将在很大程度上得到解决，至少21世纪以来进入火星轨道的探测器，它们都在预定轨道上运行得好好的。
第三关：
下降！死亡七分钟
在进入火星轨道之后，“天问一号”需要花几个月的时间对火星表面进行测绘。等获取合适的落区图像之后，“天问一号”的着陆器将与轨道器分离，进入下降阶段。
火星表面崎岖不平。图片来源：NASA
下降阶段的时长往往在几分钟到数小时不等，美国人喜欢称之为“死亡七分钟”，这是由于他们的着陆器大部分跳过了进入环火轨道步骤，直接高速进入火星大气层。而“天问一号”采用类似于上世纪美国“海盗号”探测器的方案，从火星的大椭圆轨道进入大气层，速度更为缓慢一些，在火星大气层中的飞行时间会比七分钟长一些，技术难度相对要低一些。因此尽管我国一次性实现“绕落巡”的设置比较激进，不过难度仍然在可以接受的范围内。
但这绝不意味着登陆火星的任务就如同游戏一般简单。在此前15次火星着陆任务中，成功完成软着陆任务的有12次，但真正能实现有效数据传输的仅有8次，且这8位幸运儿都是美国研制的探测器。“天问一号”想要打破“美国魔咒”，圆满完成着陆任务，一次性实现“落、巡”两步，同样需要克服几个难点：
1. 自主着陆问题
尽管“嫦娥三号”与“嫦娥四号”已经成功完成了地外天体的自动着陆任务，但要注意的是，着陆月球是全程使用反冲发动机的，影响因素少；而且地月之间的通讯延时仅有一秒多，一旦在某些过程发生问题（例如悬停避障阶段），人工操控也能予以挽回。
而火星的第一宇宙速度相对月球而言较高，无法实现全程动力下降；虽然可以利用火星大气进行气动减速，辅以降落伞，可以较大量地削减下降阶段需要的燃料，然而火星大气过于稀薄，即便大面积展开降落伞，其末速度还是较大，因此仍然需要利用发动机反冲下降；且地火通讯延迟高，人工无法干预，此外还有火星近地面空气的扰动问题等等，因此一切复杂的操作只能靠着陆器自己完成，这对于自动控制的要求无疑上了一层台阶，是下降段任务的最大难点之一。
2. 着陆器元器件可靠性问题
除了直接因为控制系统失灵的问题之外，着陆过程中产生的震动，火星独特的环境也将令元器件失效的可能性大大增加。尽管现在航天器件的可靠性都有了质的提升，令近年来的火星任务成功率不断走高，但相关问题仍然存在——例如降落伞或者电池板会不会卡死，电池板会不会因为火星扬尘而导致失效等等，这些核心问题关乎任务能否顺利完成。
我国火星探测器示意图。图片来源：国家航天局
好在这些难点在地面上都一一进行了演示验证，特别是去年11月的模拟火星重力的着陆器动力下降实验，向全世界展示了我国在登陆火星上的充足准备。
2019年11月，我国火星探测任务着陆器悬停避障试验。马俊/摄
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