2020年7月23日中午12時41分，我國在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心，使用長征五號遙四火箭，將我國首顆火星探測器“天問一號”發(fā)射升空，隨后，“天問一號”探測器順利進入預(yù)定軌道，我國首次火星探測發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功！

接下來七個月里，“天問一號”將經(jīng)過漫長的飛行，中途經(jīng)歷數(shù)次深空機動與中途修正抵達火星，最終目標(biāo)是力爭“一把過”，首次探測火星就“一步到位”實現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三大任務(wù)。

10年嘔心瀝血，26個月一次發(fā)射機會，7分鐘定成敗

據(jù)中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言回憶，早在2010年8月，就有8位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠深空探測的綜合論證，隨后，國家國防科技工業(yè)局開始組織專家開展了發(fā)展規(guī)劃和實施方案論證。2016年1月中國首次火星探測任務(wù)正式獲得批準(zhǔn)立項，任務(wù)目標(biāo)是在2020年這個火星探測的“窗口期”，通過一次發(fā)射，完成火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，達成國外幾十年分多步實現(xiàn)的火星探測成就，邁出我國行星探測第一步，以高起點實現(xiàn)火星探測工程的“彎道超車”。

由于我國首次火星探測任務(wù)的目標(biāo)是一步實現(xiàn)火星的環(huán)繞、著陸和巡視探測，組成我國首個火星探測器“天問一號”的軌道器、著陸器和火星車總重達到5噸左右，是我國迄今為止重量最重的探測器。在提出探測火星構(gòu)想之時，我國運載能力最強的長征三號乙運載火箭地火轉(zhuǎn)移軌道的運力也僅為兩噸左右，這個運力遠遠無法滿足我國的探火需求。因此，2006年獲批立項研制的長征五號，因其超過5噸的地火轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，成為探火唯一的選擇。2016年11月3日，“十年磨一劍”的長征五號在文昌航天發(fā)射場首飛成功，那時，中國的首次火星探測任務(wù)才真正具備了前往火星的能力。

因為火星相對地球距離較為遙遠，最遠時超過4億公里，最近時也有5500萬公里，考慮到風(fēng)險、成本等因素，探測器到火星的最佳路線為1925年提出的“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”，采用這種軌道的航天器，從低軌道轉(zhuǎn)移到高軌道過程中，途中只需兩次發(fā)動機點火推進，相對而言更加節(jié)省燃料，被認(rèn)為是效率最高的探火路徑。然而該軌道每26個月才能出現(xiàn)一次，所以每隔26個月左右才能遇到一次探測火星的“窗口期”。之前，中國空間技術(shù)研究院技術(shù)顧問、中國科學(xué)院院士葉培建在接受媒體采訪時曾表示，我們已經(jīng)丟失了2013年的窗口，也失去了2015年的窗口，也不可能在2018年探測火星，絕對不能夠再失去2020年的窗口。由于火星探測器發(fā)射窗口的特殊性，決定了任何一項工作的拖延都可能對整個發(fā)射任務(wù)造成不可估量的影響，因此，此次中國火星探測任務(wù)對探測器系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)各分系統(tǒng)都帶來了極大的考驗。

據(jù)了解，中國火星探測任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測等六個階段。其中離軌著陸被認(rèn)為是技術(shù)難度最大，同時也是失敗概率最高的一個階段，在這個階段探測器要經(jīng)歷入軌、下降與著陸過程。據(jù)中國航天科技集團有限公司科技委主任包為民院士介紹，火星探測器在飛向火星的途中一直處于高速飛行狀態(tài)，所以在著陸之前，需要先將速度降下來。著陸巡視器從必須從每秒4.8公里的速度，到著陸的地方減到每秒0米，這個過程大約耗時7~8分鐘，雖然時間短，卻是整個任務(wù)的關(guān)鍵點，因為它的成功與否，直接決定著任務(wù)的成敗。

人類探火成功率約42%，為何我們非去不可

據(jù)公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計，迄今為止，人類探火的完全成功率約為42%，這項成功率比難度極大的人類探月約53%的成功率還要低?？v觀人類航天史，目前也僅有美國和前蘇聯(lián)兩個國家成功實現(xiàn)登陸火星，其中美國的海盜1號和海盜2號火星探測器還是迄今為止唯一成功實現(xiàn)通過一次發(fā)射完成環(huán)繞探測和著陸探測的探測器。

然而，盡管探測火星是一項高風(fēng)險的嘗試，卻依舊讓傳統(tǒng)航天大國，乃至非傳統(tǒng)航天大國“趨之若鶩”，自1996年以來，幾乎每隔26個月的發(fā)射窗口都有火星探測器發(fā)射任務(wù)。而在2020年夏，就有三個國家的探測器會前往火星，分別是阿聯(lián)酋的“希望”號火星探測器、美國“毅力號”火星車和中國“天問一號”火星探測器。

既然探測火星“勝算“不到一半，為何如此多的國家還甘愿不計代價“放手一搏”呢？

基于人類目前對于火星的認(rèn)知，火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的前站。在太陽系八大行星中，火星的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)與地球最為相近?；鹦侵饕怯晒杷猁}巖石構(gòu)成，有類似地球的巖石地表，火星擁有高山、平原和峽谷等多種地形，南方充滿隕石撞擊的高地和峽谷，北方則多是被熔巖填平的平原，由于自轉(zhuǎn)軸傾角和自轉(zhuǎn)周期與地球相近，火星的晝夜長短及四季變化與地球也幾乎一樣。

在以往的探測中還發(fā)現(xiàn)，火星的表面似乎有液態(tài)水流過的痕跡，現(xiàn)有證據(jù)已表明有水冰存在于火星極地的冰蓋中。水的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了人們對于火星上是否存在孕育生命條件以及火星是地球過去還是地球未來的思考和探索，研究火星對認(rèn)識地球演變具有非常重要的比較意義。此次中國首次火星探測任務(wù)，就將對火星的形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，火星表面物質(zhì)組成，以及火星表面土壤特征與水冰分布展開研究。

此外，與和地球相類似的是，火星周圍也有大氣層。區(qū)別在于，火星大氣層的主要成分是二氧化碳，但是人類可以通過技術(shù)手段對火星進行“改造“，從火星大氣的二氧化碳中提取出氧氣，這樣不僅可以供人類呼吸，還能制成燃料。

而基于人類現(xiàn)有的航天能力，飛行時間8~10個月即可抵達火星，相比更遠的行星和衛(wèi)星，探索火星的任務(wù)周期更為合適。

因為火星與地球有著較為類似的環(huán)境和探火不超越人類技術(shù)能力的可行性，使得未來機器人或人類駐守火星成為可能。在載人登月之后，火星也被公認(rèn)為是人類登陸行星的首選目標(biāo)。

挑戰(zhàn)前所未有，如何確保萬無一失

相較于之前“五戰(zhàn)五捷”的月球探測，中國的火星探測任務(wù)難度更大。由于火星相對地球距離較為遙遠，最遠時超過4億公里，最近時也有5500萬公里，探測器需要在地火轉(zhuǎn)移軌道上飛行近7個月，還將進行2至3個月的火星環(huán)繞飛行，所以對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)都提出了很高的要求。

在發(fā)射方面，為了將5噸重的探測器一舉送入地火轉(zhuǎn)移軌道，這就需要長征五號運載火箭飛出超過11.2千米/秒的第二宇宙速度。因為只有當(dāng)航天器的速度達到每秒11.2千米的第二宇宙速度時，才能完全擺脫地球引力，去往太陽系內(nèi)的其他天體。因此，第二宇宙速度也被稱為“逃逸速度”。此前，中國的長征三號乙運載火箭托舉嫦娥月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道時飛出了超過10千米/秒的速度。而據(jù)長征五號火箭總設(shè)計師李東介紹稱?！按舜伟l(fā)射火星探測器，是長征五號火箭第一次達到并超過第二宇宙速度，同時也飛出了我國運載火箭的最快速度”。

由于地球和火星之間的相對位置不斷變化，發(fā)射火星探測器就像是在打一個“移動靶”，只有不斷地調(diào)整發(fā)射軌道，才能確?！疤靻栆惶枴疤綔y器更加精確地入軌，在奔向火星的過程中節(jié)約自身燃料，因此，此次探火任務(wù)就對火箭的軌道設(shè)計提出了更高的要求。為了讓“天問一號”更加精確地入軌，來自中國航天科技集團一院的研制團隊創(chuàng)新性地進行了精細化的“窄窗口多軌道”設(shè)計，將14天窗口期內(nèi)每一天30分鐘的發(fā)射窗口細分成3個寬度10分鐘的窗口，對應(yīng)3條發(fā)射軌道，一共設(shè)計了42條發(fā)射軌道，創(chuàng)造了單次發(fā)射軌道設(shè)計數(shù)量的新紀(jì)錄，將軌道偏差控制在非常小的范圍內(nèi)。還首次實現(xiàn)了發(fā)射軌道的自動切換，火箭可自動比對時間，自動切換軌道。這在中國航天的發(fā)射史上是絕無僅有的創(chuàng)舉。

此外，為滿足我國首次火星探測任務(wù)需求，先前，承擔(dān)”天問一號“測控任務(wù)的西安衛(wèi)星測控中心還對地面測控通信系統(tǒng)進行了適應(yīng)性改造。據(jù)了解，“天問一號”火星探測器成功進入地火轉(zhuǎn)移軌道后，西安衛(wèi)星測控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測控支持。相比探月任務(wù)，火星探測器最遠有將近4億公里的探測距離，還將在地火轉(zhuǎn)移軌道飛行7個月的時間，這些對測控通信系統(tǒng)而言都將是前所未有的考驗。為此，西安衛(wèi)星測控中心重點對兩個深空站的對頻率綜合系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶、監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)備軟硬件進行升級，為執(zhí)行相關(guān)任務(wù)提供更加穩(wěn)定、強大的測控保障。

接下來，“天問一號”在經(jīng)過數(shù)次深空機動與中途修正之后，預(yù)計在明年2月，就將到達火星的引力場范圍內(nèi)，然后通過制動被火星的引力場捕獲，捕獲成功之后就將進入火星的循環(huán)軌道，再經(jīng)過多次的調(diào)整，就可以進行我國首次火星環(huán)繞探測了。

通過2到3個月的環(huán)繞飛行后，探測器將在著陸區(qū)上空對著陸區(qū)開展探測，并擇機實施降軌機動，著陸巡視器將與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸巡視器登陸火星地表的過程提供中繼通信。著陸巡視器則將進入火星大氣，經(jīng)過一系列的動作之后，著陸于火星表面。著陸后，火星車將與著陸平臺分離，并駛離著陸平臺，開始開展火星地表巡視探測?？梢哉f，“天問一號”未來前進的每一步都在迎接挑戰(zhàn)，也在創(chuàng)造歷史。

道阻且長，行則將至，惟其艱難，方顯勇毅。祝“天問一號”一切順利！

環(huán)球時報記者樊巍通訊員周倫杰、呂炳宏