天問一號的探火之旅

薛炳森 韓大洋

“前所未有”的出征儀式

天問一號的座駕是長征五號遙四火箭。2020年1月19日，火箭的氫氧發動機完成了總裝出廠前的最后一項驗證——100秒校準試車，這標志著這臺發動機性能達到了預定要求，能夠肩負托舉起天問一號的任務。

探索火星的天問一號與到訪月球的“嫦娥”不同，探月軌道是一個微縮的天問之路，依靠火箭的推力，將嫦娥探測器推送進入一個大橢圓形的衛星軌道，其遠地點與地球的距離就是月球軌道的半徑，當以預定速度到達這個位置后，探測器就會被月球引力所捕獲。不難看出，到月球的路途可比去火星的近多了，軌道的設計不是很復雜，途中需要探測器做的機動動作也較少。

嫦娥探月軌道

但是天問一號任務的難度可就大多了。首先速度要夠快，因此專門給它配備了長征五號運載火箭，幫助它將飛行速度提升至超過第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個速度下運動的物體足以逃脫地球的引力，升格成為“人造行星”，也就是不再圍著地球轉了，而是和地球一樣成為太陽的“跟班兒”。這時的天問一號遵從開普勒定律的“引導”，沿著環太陽的橢圓軌道運行。但如果你以為就這樣一直飛行就能到達火星可就未免太低估它了，打個比方會更加明了。法國巴黎距離日本東京大約9800千米，從巴黎埃菲爾鐵塔上揮桿擊球，這個球要不偏不斜的直接掉落到東京鐵塔上的球洞里，這就是此次火星任務的難度“級別”了。除此之外，天問一號還要帶夠燃料以便應付到達火星附近時的操作，所以，它的重量將超過嫦娥探測器數倍。也正是因為這個原因，再加上目前中國最強運載火箭長征五號的推力也顯得不太富裕，所以必須精打細算，盤算著每一次機動動作在哪里做，在什么角度位置時點火，這些都要精確瞄準、拿捏力道，同時，揮桿的一刻要果斷。盡管計劃的如此周全，但從地面直接發射之后，包括大氣層的擾動、火箭的晃動等，都會給飛船的出發精度帶來更多不可控性，可謂風險依舊。

為了能夠達到近乎苛刻的出發精度參數要求（包括角度、速度），火箭和飛船要首先進入200千米左右的赤道圓軌道，在這里，火箭需要通過不斷地微調，等待著最佳的二次點火出發角度，這就需要一個繞地球旋轉2～3周的調整窗口，與此同時，火箭也在“調整”著它的狀態，因為長征五號采用的是液氫液氧發動機，而液氫需要足夠的低溫才更有利于發動機工作，大氣層外軌道上的低溫為此提供了條件。在火箭繞地球旋轉的每個圈次中，達到點火要求的出發角度對應的時間只有2～3秒，轉瞬即逝。這個時候就需要地面控制指令的下達與執行準確果斷，火箭激發一步到位，說起來容易做起來難，要知道，2009年準備發射去火星的螢火探測器就是因為火箭在軌道上達不到發射條件而錯過了任務窗口，最終造成整個任務失敗。

漫長的奔火征途

2011 年巴黎航展上的航天器模型，箭頭指向處是螢火一號（圖片來源 / Wiki）

螢火一號和福布斯 - 土壤軌道示意圖。其中紅、橙、黃色為螢火一號轉移軌道，綠色為螢火一號工作軌道

霍曼轉移軌道示意圖

二次點火完成，出征階段結束，天問一號揮別地球，踏上茫茫的奔火征程。因為在進駐火星軌道時需要的燃料還不好確定，因此在出發奔赴火星時需要優化軌道參數，使得奔火過程所消耗的燃料最小化。經過精打細算、反復優化，科學家優選出了一條最省燃料的軌道——霍曼軌道。從地球啟程后，天問一號要短暫地獲得行星的名號，其軌道為以太陽為焦點的橢圓，出發時對應的位置是近日點，并最終在遠日點與火星相會，這就是霍曼軌道。不難看出，火箭二次出發時其速度、角度都是大有講究的。

根據計算，走霍曼軌道的天問一號大約需要10個月的行程，在這段時間里，天問一號只能偶爾向指揮中心報告一下方位。地面專家也會根據軌道模擬計算結果，對飛船的方向進行微調。不過注意，這里有個問題，在茫茫太陽系中，沒有GPS和導航，天問是怎么知道方位和方向的呢？答案就是依靠古老、有效且準確的恒星定位法，我們在地球上也經常用到。首先，在視野中選取相關的4顆恒星，通過測量恒星的方位角就可以判斷自己所處的位置以及前行方向，從而完成導航。不過，誤差不請自來。在近乎真空的環境里前進，天問一號的方向也可能跑偏，這種偏差通常是來自太陽光的光壓，盡管壓力很小，但是光始終照在飛船的一個側面，且持續的時間長，積少成多。天問一號的運行方向不經意間就發生了改變，如不及時糾正，就會像射擊瞄準中的小誤差一樣，看似失之毫厘，實則謬以千里。

考驗天問一號的下一道關口就是進入火星的“勢力”范圍。當天問一號與火星幾乎同時到達遠日點時，此時的速度還是第二宇宙速度（11.2千米/秒），如果它頭也不回地繼續飛行，最終將與火星擦肩而過。所以，這時的天問一號需要踩一腳剎車，使其速度下降，以便被火星的重力場捕獲而成為環繞火星運動的衛星。這一波操作對于探月和探火成功的國家可謂輕車熟路，但天問一號衛星還要“秀一把”車技，別國的火星探測器都是運行在火星赤道上的圓軌道上（高度和軌道相對穩定），而天問一號則選擇了有一定傾角的橢圓軌道（近火點和遠火點相差很大的橢圓），這樣做有一個好處，能夠相對全面的探測火星的電離層和磁層。

2001 年火星奧德賽號探火軌道（圖片來源 / Wiki）

軌道的問題基本解決了，還有一個挑戰，那就是通信。與距離地球較近的月球探測任務不同，當天問一號即將登陸火星時，火星距離地球約1.2億千米遠，信號傳輸回地球需要約6分鐘時間，來自地球的指令需要同樣的時間才能回復天問一號，這在機會稍縱即逝的行星轉衛星的操作中肯定會誤事，因此，這個階段會讓天問一號根據探測數據，以及設定的規則自己完成處置。俗話說“展現真正技術的時候到了”，借助人工智能去替代人工指令，是本次探火任務全球矚目的關鍵之一。

著陸火星不容易

天問一號還肩負著巡視火星的使命，在進入火星軌道之后，著陸器和巡視器將在合適的時機與軌道器分離，沖入危機四伏的火星大氣中。這一過程，中國的神舟、嫦娥航天器已經提前“演練”過多次，都完美安全著陸。不過，天問一號落地之路與過往的飛行器著陸區別很大。首先，火星有稀薄的大氣，這與月球的近真空和地球的濃密大氣環境都不相同，需要全新的設計。更重要的是，天問一號的著陸過程受限于測控信號的遲滯（信號一來一回要10多分鐘），科學家無法對著陸過程進行監視和控制，完全靠人工智能來獨立完成，也就是說，天問一號需要根據探測到的火星數據，在預先設置的程序指導下，自主選擇著陸的線路和方式，這對于地球上的控制人員來說，相當于盲降，堪稱整個火星任務中最驚心動魄的時刻。

火星探測器一般都會怎樣著陸呢？

天問一號著陸器進入火星大氣分為三個階段。第一階段，火星探測器進行著陸前的準備，包括變軌、調姿、制動等，著陸器與軌道器分離后獨自進入火星大氣層;第二階段，著陸器依靠氣動外形所獲取的大氣阻力進行減速，這時著陸器要經受嚴酷且未知的氣動加熱以及過載考驗。當達到降落傘開傘條件時降落傘彈出，同時拋掉防熱大底;第三階段，在最終著陸前雷達開機判定著陸高度，計算機控制反推火箭點火制動，達到允許的著陸速度后著陸器與降落傘分離開，再經過復雜而精確的懸停、避障、降落，著陸過程完畢。隨后，著陸器打開，釋放火星巡視車，這種著陸方案在嫦娥四號軟著陸月球背面時已經受住了考驗。

以上是我們在火星探測的動畫模擬中見到的著陸過程，而實際上，火星上還會不時刮起漫天的沙塵暴，地表條件復雜、崎嶇不平，驚天一落的末尾可謂“暗藏殺機”，都需要天問一號的臨機處置，讓我們拭目以待吧！

（責任編輯 / 岳萌美術編輯 / 周游）

火星上會不時刮起沙塵暴