天問一號任務的技術創新

張榮橋，耿言,*，孫澤洲，李東，鐘文安，李海濤，崔曉峰，劉建軍

1.探月與航天工程中心，北京 100190 2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094 3.中國運載火箭技術研究院，北京 100076 4.西昌衛星發射中心，西昌 615099 5.北京跟蹤與測控通信技術研究所，北京 100094 6.北京航天飛行控制中心，北京 100094 7.中國科學院國家天文臺，北京 100101

火星是太陽系中環境與地球最為相似的行星，可能保存著太陽系生命起源的時間和行星演化中災難性變化的最好記錄，對研究地球起源與演化具有非常重要的比較意義，是探尋地外生命、探索生命起源與演化等重大科學問題最有價值的目標之一；而且火星距離地球較近，是人類有望率先登陸的地外行星，因此一直是國際行星探測的重點目標，是除月球外人類探索最多的地外天體。

火星探測始于20世紀60年代。迄今，蘇/俄、美國、日本、歐空局、印度、阿聯酋、中國等7個國家(組織)發射過火星探測器。蘇聯于1960年發射的“火星1960A”是人類第1次向火星發射探測器；美國隨后于1964年發射其第1個火星探測器“水手3號”；日本、歐空局和印度分別于1998年、2003年、2013年首次實施，阿聯酋和中國于2020年發射首個火星探測器。以上共計實施了47次任務，其中，美國22次，蘇/俄19次，歐空局2次，日本、印度、阿聯酋和中國各1次。這些任務，成功和部分成功共25次，成功率約53%。

目前，在技術上對火星已實現掠飛、環繞、著陸、巡視探測，其中火星著陸難度最大，至今共實施22次，成功10次。美國實施10次，成功9次；蘇/俄實施9次，僅1次著陸在火星表面，但僅存活了幾分鐘，通信就中斷了；歐空局實施2次，均失敗。難度更大的火星采樣返回和載人探測仍有待突破。

中國首次火星探測(天問一號)任務起點高、跨越大，環繞、著陸、巡視3大目標互相耦合程度深，系統極其復雜，任務實施前無實際飛行經驗，無一手環境數據，風險挑戰巨大，是中國深空探測領域技術跨度最大、創新性最強的航天工程。

天問一號任務，在國際上首次通過一次發射實現火星環繞、著陸、巡視的3大目標，對火星開展全球性、綜合性的環繞探測，在火星表面開展區域巡視探測。工程圓滿成功邁出了中國行星探測征程的第一步，實現了中國航天器從地月系到行星際飛行的跨越，在火星上首次留下中國人的印跡，這是中國航天事業發展的又一具有里程碑意義的進展，一舉使中國在行星探測領域進入世界先進行列。

1 任務概況

天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器構成，著陸巡視器由進入艙和火星車組成。于2020年7月23日12時41分，采用長征五號運載火箭，在文昌航天發射場零窗口發射，精準進入地火轉移軌道。

與火箭分離后，探測器經過4次中途修正、1次深空機動，飛行202天，行程4.75×10km，于2021年2月10日與火星交會。在近火點成功實施火星捕獲制動，進入近火點高度400 km、遠火點高度1.82×10km、傾角11°、周期約10個地球日的捕獲軌道，成為中國第1顆人造火星衛星。

捕獲后，探測器經過數次軌道調整，進入近火點280 km且位于著陸點上空、遠火點5×10km、傾角87°、周期2個火星日的停泊軌道。利用高分辨率相機對預選著陸區開展了93天的地形地貌詳查，進一步確認著陸地形的安全性。在此期間，環繞器科學載荷開機，測試正常。

2021年5月15日凌晨，探測器實施降軌機動，進入火星進入軌道并為著陸巡視器建立進入姿態。著陸前約3 h，著陸巡視器與環繞器分離。環繞器隨即升軌，返回停泊軌道。著陸巡視器繼續彈道飛行，在距離火星表面125 km處進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、發動機反推等多級減速和著陸緩沖機構緩沖，于當日7時18分軟著陸于火星烏托邦平原南部(109.9°E，25.1°N)。從進入大氣到完成著陸歷時約9 min，總減速量約4.8 km/s。著陸后，“祝融號”火星車隨即自主完成桅桿、太陽翼、天線等設備展開，建立工作狀態，并直接對地傳回成功著陸信息。之后，進行著陸點環境感知，確認駛離條件滿足任務要求。

2021年5月17日，環繞器由停泊軌道進入周期8.2 h的中繼軌道，為火星車建立中繼通信。

2021年5月22日10時40分，火星車駛離著陸平臺，踏上火星表面，行走0.522 m。5月26日，火星車行駛到著陸平臺東偏南約6 m處，拍攝了著陸平臺影像；6月1日，火星車行駛至著陸平臺南側約10 m處，釋放分離相機，拍攝了火星車后退移動影像及與著陸平臺的合影；在此期間，火星車科學載荷全部開機，正常工作，火星車的巡視探測功能全部得到驗證。

2021年6月11日，國家航天局發布天問一號探測器著陸火星首批科學影像圖，宣布首次火星探測工程取得圓滿成功。

火星車著陸點的南部區域據科學家推測為火星古海陸交界地帶，地貌豐富，科學研究價值較高，科學研究團隊決策讓火星車向南行駛，開展巡視探測。

至2021年8月15日，火星車完成90個火星日的既定探測任務，通過6臺科學載荷，獲取行駛區域地形地貌影像，行駛路徑上的磁場分布和地下剖面結構信息，土壤、沙丘、巖石等典型地物成分信息，氣溫、氣壓、風速、風向等氣象信息，總共約10 GB原始科學數據。

2021年10月上旬，探測器進入火星日凌影響階段。受太陽噪聲影響，探測器與地面通信質量下降，環繞器和火星車暫停了科學探測，通過自主運行保證安全和健康。順利度過日凌后，環繞器于11月8日進入遙感使命軌道，開始火星全球遙感探測，通過7臺科學載荷，獲取火星空間環境、地形地貌、表面物質成分、次表層剖面結構等信息。同時，兼顧為火星車提供中繼通信。

2 突破性成就

首次火星探測任務實現了中國航天從地月系到行星際探測的跨越，特色突出，難度顯著。一是任務起點高，技術跨度大，中國首次火星探測跨越了國外幾十年的火星探測發展歷程，一步進入到國際火星探測先進行列；二是任務環境新，不確定性大，尤其是制約火星著陸成敗的大氣環境缺乏第一手數據，為探測器的設計和研制帶來很大挑戰；三是關鍵環節多，固有風險大，3大目標串行實現，環環相扣，特別是著陸過程在9 min之內自主完成10多個模式切換和分離動作，每個動作執行結果都直接影響任務成敗；四是環境模擬難，試驗難度大，火星環境與地球差異很大，地面很難完全模擬，許多試驗方法本身就是工程難題；五是飛行距離遠，資源約束大，在火星軌道上接收的通訊信號強度比地月距離通訊衰減了10倍，在火星表面接收到太陽光強度僅為地球處的約1/3，大大制約了探測器的能力；六是研制周期緊，進度風險大，受天體運行規律的約束，火星探測每隔26個月才有一次發射機會，不容錯過。

針對這些特點和難點，在有關各方的大力支持下，集中全國各方面的科研力量，集智攻關，突破了一系列關鍵技術，取得了大量創新成果，主要體現在以下8個方面。

2.1 國際上首次一步實現火星環繞、著陸和巡視

相比國際深空探測的發展，中國月球探測起步晚，火星探測起步更晚，在這一領域實現跨越發展是中國航天發展的迫切需要。基于中國航天工業的基礎實力，大膽創新、審慎研究，提出了通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視探測的總體方案。

任務設計面臨的突出問題是3個任務目標相互耦合下全局最優設計。火星環繞探測需要的軌跡漂移覆蓋與巡視探測數據中繼需要的軌跡回歸需求相互制約，火星著陸時機選擇與環繞階段遙感探測成像條件相互關聯，火星捕獲設計不僅受到運載發射能力和二級滑行時間等條件制約，也直接影響到著陸當天的能源與通訊條件。這些發射、環繞、著陸、巡視等條件的強耦合關系，使得這次任務的軌道設計和飛行方案十分復雜。

為解決多任務強耦合問題，攻克了基于火星軌道漂移特性的捕獲、進入、中繼、遙感多任務多目標的軌道設計方案與關鍵技術，匹配和銜接了多任務飛行各階段的需求，并對捕獲安全、進入安全2個關鍵環節進行了重點保證。

2.2 首次實現中國地球雙曲線逃逸軌道發射

地球與火星公轉的會合周期為687天，理論上每個會合周期內僅有一個最佳發射時刻(所需能量最小)，考慮海南夏季臺風頻發的氣候和短臨不利氣象條件對火箭發射的影響，綜合運載火箭與探測器對發射窗口的適應性(運載能力一定的前提下，發射窗口越寬，探測器需攜帶的推進劑越多，相應自身重量資源越少)，確定了連續14天、每天30 min的發射要求。運載火箭系統采用每天連續3條彈道、每條彈道對應10 min發射窗口的窄窗口、多彈道的技術方案，發射場系統采用連續長周期特燃特氣迭代保障等措施，提高發射準備可靠性。

為了保證多窗口下可靠發射，首次采用固定射向、固定基礎級飛行時序、固定滑行時間的創新彈道設計，保證火箭飛行程序、彈道特征點參數嚴格一致，實現42條彈道共用一套控制系統參數(非迭代制導段)，顯著降低了系統諸元設計、生成、驗證難度，極大提升和保障了發射可靠性。同時共用一組航落區、一個安全管道，箭下點橫向、縱向散布減小2/3以上，為上升段測控、航落區安全保障創造更好的條件。

地球衛星和探月任務發射的目標軌道為橢圓軌道，器箭分離前火箭采用半長軸關機方案，控制參數滿足單調、連續變化的控制要求。但對于行星探測任務發射，目標軌道為雙曲線地球逃逸軌道，半長軸參數在軌道由橢圓變為雙曲線的瞬間發生突變，不滿足關機控制要求。首次采用基于地球逃逸軌道能量C關機控制方案，首次實現中國運載火箭以第二宇宙速度高精度進入雙曲線軌道的發射，實際入軌精度折算為速度增量，偏差僅有10量級，為后續行星探測發射實施創立新規范。

2.3 首次實現中國航天器行星際飛行

與地月轉移飛行相比，行星際飛行距離遠、時間長、環境變化大、狀態變化多、攝動因素雜、自主要求高，軌道設計和飛行控制的復雜程度顯著提高。探測器系統攻克了高精度高可靠飛行控制、大時延下自主管理和自主導航等關鍵技術，將中國航天器的飛行到達能力拓展到了行星際空間。

在地火轉移階段，為了最大限度地發揮運載火箭發射能力，采用了“深空機動+短轉移”的地火轉移軌道技術。在運載火箭發射傾角、二級火箭二次點火滑行時間范圍的約束下，采用雙重蘭伯特方法求解不同發射窗口下的深空機動執行時機和速度增量解集，確定其中發射能力和火星捕獲能量綜合最優的轉移方案，使得火星捕獲后探測器剩余燃料最大。

在火星捕獲和環火運行段，采用最優捕獲控制技術，在實現安全捕獲的條件下，同時滿足了后續火星進入條件、火星遙感成像條件和測控弧段需求；突破了環繞器遙感使命軌道設計技術，利用火星環繞軌道近火點漂移特性保證在1個火星年內實現全球覆蓋，通過合理的軌道回歸特性設計，兼顧了火星車中繼通信需求，并在國際上首次采用UHF/X雙頻段中繼技術，進一步增加中繼通信機會和帶寬，大大提高了火星車拓展任務階段的探測效率。

根據任務總體方案，制定了包含9次軌道機動、30余次軌道修正的飛行方案，設定了巡航、對火、中繼、變軌等9種飛行姿態，覆蓋了地火轉移、捕獲軌道、停泊軌道、進入軌道、中繼軌道、遙感軌道等6類軌道，成功實現中國迄今最為繁難的飛行任務，為中國航天器行星際飛行探索了新經驗。

2.4 首次實現中國地外行星軟著陸

與地球再入相比，火星進入、下降、著陸(EDL)整體減速效率低，減速高程緊張。因此首次火星著陸任務采用了“氣動減速-傘降減速-動力減速-著陸緩沖”四級串聯減速技術路線，并在主氣動減速段采用“彈道-升力式”的控制方式，以提高對火星大氣環境、入口點參數和氣動特性的偏差容忍度，實現更高的落點精度。針對首次火星著陸任務設計中面臨的多學科交叉和耦合難題，建立了設計迭代改進流程和多學科綜合優化方法，在全面掌握EDL相關分系統的性能邊界和故障容限基礎上，優化、提高了系統應對故障工況和進入條件極限拉偏下的安全著陸能力。

火星大氣中二氧化碳介質對氣動力、熱影響的機理研究基礎薄弱，國外火星大氣研究文獻數據零散，為此在對國內氣動力熱風洞設施進行改造基礎上，開展了火星大氣二氧化碳介質化學非平衡對氣動力和熱燒蝕機理的工程科學研究和試驗驗證，建立了全空域/速域氣動力熱數據庫，開創了火星氣動研究新領域。結合調研資料和機理研究的成果，合理確定了著陸過程大氣環境約束，并設計了高彈道系數的全新短鈍體進入艙氣動外形。研制新型輕質防熱材料，并在國際上首次采用超音速可展開配平翼技術，以很小重量代價(約為國外同類任務的1/10)解決了半彈道式進入配平攻角不利于降落傘開傘的問題。通過對EDL過程的飛行數據辨識和反演，實際飛行氣動特性在設計偏差帶范圍內。

火星大氣稀薄，氣動減速剩余速度過高，進入艙必須在超音速條件下開傘，為解決短鈍體外形跨音速段氣動穩定性差的問題，降落傘首次采用大幅面鋸齒形“盤-縫-帶”傘。針對超音速、低密度條件下開傘速度快、載荷大、傘衣形態劇烈變化的特點，突破輕質高強度降落傘設計與制造、高密度包傘、高速低沖擊彈射等關鍵技術，研制了中國面積最大、重量最輕、承載能力最高的超音速降落傘。

為克服超音速開傘、防熱大底彈射分離等EDL過程的大沖擊、高動態環境影響，發展了多信息融合智能決策導航技術，在大動態環境下實現了高精度、高容錯導航，攻克了導航基準重構技術，消除了導航基準丟失帶來的著陸風險。

降落傘減速完成后，進入艙在距離火星表面約1.5 km高度轉入動力減速，采用首次研制的中室壓變推力發動機實施減速和平臺規避機動。動力減速過程中，通過新一代測距測速微波雷達、相控陣雷達和激光三維避障敏感器，實時感知器下點地形地貌，自主選擇安全落點；采用基于干擾辨識和前饋補償的姿軌一體化控制技術，實現動力下降過程推力方向的快速指向和軌跡高效高精度控制，實現落區的智能自主避障。

天問一號成功實現了火星軟著陸，實際著陸精度達到千米量級，建立了匹配、協調的指標體系，全面掌握了火星EDL技術路線以及相關分系統和產品核心技術。

2.5 首次實現中國地外行星表面巡視

火星表面巡視主要面臨的困難是在火星表面復雜地貌和氣象條件下，安全、高效地開展移動和探測。

為提高移動脫困能力，在國際上首次采用主動懸架火面移動技術，解決國外火星車在軌曾經發生車體托底、車輪故障拖行、車輪沉陷無法脫困、松軟坡道爬坡能力不足等問題，實現蠕動脫困和爬坡、抬輪移動、蟹行運動等特殊脫困功能。

針對火星表面弱光照、有風情況下對流漏熱以及最低可達-123 ℃的極低溫等特殊環境，突破了高效率太陽電池火星光譜匹配、除塵涂層、新型大功率最大峰值功率跟蹤(MPPT)控制等新技術，實現供配電系統功率密度提升約30%；突破熱能收集存儲與利用、納米氣凝膠隔熱等太陽能高效收集利用和散失控制技術，達到單個火晝可收集1 200 Wh熱量、隔熱等效熱導系數小于0.015 W/(m·K)的水平。

針對火星車無法與地球實時通信的問題，為自主高效開展巡視探測，突破火星車自主移動技術，實現雙目視覺圖像匹配與地形重構、高精度視覺定位，復雜地形導航單元智能規劃、多約束任務規劃等功能。為了確保自主運行的能源、通信、熱控等安全，實現了長期在無地面控制情況下，火星車針對環境變化的自判斷、自保護、自恢復等自適應功能，大大拓展火星車火面生存能力。

火星車于2021年8月15日順利完成90個火星日的既定探測目標，繼續開展拓展任務，各方面狀態仍然十分良好。相比以往巡視任務，其機動、脫困，能源利用，自主管理，火面生存等能力和水平跨上一個新臺階。

2.6 首次實現中國行星際測控通信

為實現4×10km的遠距離測控和通信，在增強探測器和地面測控設施能力兩方面開展技術攻關。

1) 增強探測器

突破了高靈敏度大動態碼率自適應測控應答機技術，實現極低信噪比下快速載波捕獲跟蹤以及解調，接收靈敏度優于-157 dBm(優于國外-156 dBm 的指標)，縮短捕獲時間超過95%；突破多體制深空中繼通信技術，國際首次實現深空探測X頻段鏈路中繼通信，與UHF頻段中繼鏈路配合，實現在中繼軌道近火點和遠火點雙節點的自適應中繼通信，將中繼數據量提升至500 Mbit/日，有效突破火星車對地數據傳輸瓶頸，為火星車高效探測創造良好條件。

2) 地面測控設施能力

(1) 地面通信設施方面:突破多天線組陣弱信號接收處理系統技術，在喀什新建3面35 m口徑天線，與原有1面35 m口徑天線組成多天線組陣弱信號接收處理系統，實現了多普勒動態范圍170 kHz、32 bps極低碼速率的解調，G/T值達到56.5 dB/K，與美國70 m單口徑天線G/T值相當；在天津武清研制建設了亞洲最大的全可動天線——70 m口徑天線，指向精度達到了7.2角秒，X頻段天線效率達到72.1%(俯仰44°)，超過美國70 m天線最高68.7%的效率指標；通過70 m 天線和已有的北京密云50 m、40 m及昆明40 m口徑天線進行異地組陣，達到等效口徑103 m 的接收能力，成功實現2.6×10km,4 Mbps、4×10km,2 Mbps碼速率數據接收，優于國外火星探測最大下行碼速率4 Mbps(1×10km)和1 Mbps(4×10km)的水平。

(2) 測定軌技術方面:突破了行星際空間精密定軌與預報技術，開環測速精度達到0.05 mm/s(1 s積分)，甚長基線干涉測量(VLBI)時延精度達到0.1 ns，使得地火轉移段測定軌精度達到2 km，環火段測定軌精度達到1 km，達到國際先進水平。為火星捕獲、著陸進入的精確控制提供了基礎保證。

這些新技術突破為后續任務測控通信能力建設和任務實施創立新標準。

2.7 首次獲取中國一手火星科學探測數據

天問一號任務攜帶了13臺高性能科學載荷，其中環繞器7臺，開展火星全球維度的科學普查；火星車6臺，開展火星表面局部維度的重點詳查。通過兩器的配合，首次實現火星空間遙感、近距離遙感、接觸式多維度探測，獲取了火星電場、磁場、光譜、大氣、粒子、形貌、成分等多要素第一手科學數據。

通過環繞器火星礦物光譜分析儀和火星車表面成分探測儀，獲取了火星表面物質成分信息。通過環繞器和火星車次表層探測雷達，獲取了火星土壤的結構信息，包括厚度、分層情況等，并在火星淺表層探尋水冰。通過環繞器高分辨率相機、中分辨率相機和火星車導航地形相機，獲取了火星地形地貌信息，結合水相地貌信息，通過火星車表面成分探測儀，尋找碳酸鹽類礦物或赤鐵礦、層狀硅酸鹽、含水硫酸鹽、高氯酸鹽礦物等風化成因礦物，研究水變質對這些礦物形成的影響，建立火星表面水相環境和次生礦物種類的聯系，尋找火星歷史上液態水存在的環境條件。通過環繞器磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀，獲取磁場與粒子的聯合探測信息，系統研究火星大氣、電離層及其與太陽風的相互作用。通過火星車表面磁場探測儀與環繞器磁強計相互配合，探測研究火星空間磁場、電離層電導率等特性、電離層及磁鞘磁場小尺度結構及其動態變化過程。

科學載荷的功能、性能指標普遍達到、部分指標優于國際先進水平，獲取了高精度、高指標的豐富科學數據，為取得原創性科學成果奠定了堅實的基礎。

2.8 首次實現中國火星環境建模與模擬驗證技術

針對火星環境不確知、無一手資料的難題，廣泛調研國外火星環境研究成果、環境模型和任務飛行數據，充分調動國內優勢研究力量開展相關工程科學研究和文獻數據比對校驗，考慮多種偏差來源，開展多模型、多工況分析計算，合理選取環境條件包絡線，形成一套適用于火星探測器工程研制的火星空間環境和表面環境規范。

針對火星與地球環境差異巨大，難以進行地面模擬開展驗證試驗的問題，著力開展試驗方法攻關，通過改造火星氣氛風洞、研制新型試驗火箭彈，利用多類多型飛機搭建試驗平臺、建設著陸懸停綜合試驗設施，尋找火星類似地貌等多種手段，突破了模擬超音速低密度條件的開傘驗證、模擬有風低氣壓熱環境的熱平衡試驗、模擬高溫和動載荷環境的結構承載試驗、模擬火星重力條件的動力下降著陸全系統驗證試驗、模擬火星大氣介質影響的風洞下測力/測熱試驗，以及EDL過程綜合建模設計與數字模擬等技術，在地面對探測器功能和性能進行了全面驗證和考核。顯著提升行星環境建模和模擬能力，建立一套行星環境不確知情況下，可靠開展環境建模的方法，以及在地面開展行星環境模擬試驗的方法，建設、改造了一批試驗設施，為后續行星探測創立新基礎。

3 結論與展望

天問一號任務實現了中國行星探測零的突破，獲取了一手火星探測科學數據，帶動了國內行星科學研究取得顯著進步，成功開啟了中國行星探測的新征程。

天問一號任務的實施，構建了中國獨立自主的行星探測基礎工程體系，包括設計、制造、試驗、飛行任務實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍，所突破的多目標復雜任務總體設計、地球逃逸軌道發射、行星際飛行與行星捕獲控制、稀薄大氣天體進入下降著陸、火星表面操控、遙感和就位探測科學載荷、遠距離測控通信、特殊環境建模與地面模擬試驗等關鍵技術和取得的行星探測實踐經驗，為后續小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星穿越任務的實施奠定了堅實的工程基礎。