根據(jù)國家航天局近日公布的消息，我國2020年7月23日發(fā)射的火星探測器“天問一號”經(jīng)過漫漫長路飛行，計劃于2月10日左右抵達火星軌道。“天問一號”這一路走來的過程是怎樣的？需要面對哪些挑戰(zhàn)？后續(xù)任務(wù)計劃如何？我們約請中國科學(xué)院文獻情報中心“空間光電與重大科研設(shè)施”團隊情報咨詢師郭世杰和讀者進行簡要解讀。
“天問一號”在宇宙中的“自拍照”。
問：為什么“天問一號”和阿聯(lián)酋、美國探測器發(fā)射和抵達火星的時間如此接近?
答：很多讀者已經(jīng)注意到，2020年除了我國之外，還有別的國家在很相近的時間內(nèi)開展了2個火星探測任務(wù)，一是阿聯(lián)酋的“希望”號（2020年7月20日由日本火箭發(fā)射），二是美國的“毅力”號（2020年7月30日發(fā)射），它們的發(fā)射日期都與“天問一號”相差不到10天。不僅如此，三個探測器抵達火星軌道的日期也十分接近（“希望”號和“毅力”號抵達火星軌道的日期分別在2021年2月9日、2月18日左右）。之所以出現(xiàn)這種“巧合”，是因為世界各國都爭相利用了探測火星的“時間窗口”。
眾所周知，火星與地球都在圍繞太陽進行公轉(zhuǎn)，卻擁有不同的公轉(zhuǎn)周期（地球是365天，火星則是687天），因此兩個星球之間的距離是時大時小的，最近的交會距離每780天（相當于26個月左右）才發(fā)生一次。距離最遙遠的時候，火星和地球位于太陽的兩邊，相距4億公里之遠；距離最近的時候，火星和地球位于太陽的同一邊，兩者相距最近可以達到五六千萬公里左右（即便是這一距離，也相當于地球和月球平均距離的100倍以上，用光速也需要好幾分鐘才能走完）。更加復(fù)雜的是，由于火星和地球運行軌跡都是橢圓，且偏心率不同，所以每次火星和地球“交會”時的距離也不盡相同；交會距離最短的時機會每隔15年至17年出現(xiàn)一次，此時的天文現(xiàn)象被稱為“火星大沖”。
由于世界各國都在爭相開展火星探測行動，因此各國不可能去等十幾年才發(fā)生一次的“火星大沖”時機，而是利用每26個月左右出現(xiàn)一次的時間窗口來發(fā)射火星探測器。此外，由于探測器從發(fā)射到進入火星軌道還需要耗費至少幾個月時間，因此探測器到底應(yīng)該提前多久從地球“出發(fā)”，也需要非常精確地進行推算，這樣才能讓探測器在有限的燃料、有限的變軌次數(shù)條件下，在火星距離地球比較近的時機“切入”火星軌道。如果發(fā)射得過晚，就可能在探測器耗盡燃料時，火星已經(jīng)運轉(zhuǎn)過了最接近地球的位置，導(dǎo)致探測器“追不上”火星；如果發(fā)射得過早，就可能導(dǎo)致探測器抵達交會位置時，火星“還沒有到”，導(dǎo)致探測器提前飛越過了目標，進入茫茫的星辰大海。
問：“天問一號”從發(fā)射到進入火星軌道要經(jīng)歷哪些階段？
答：為了降低軌道計算復(fù)雜性和技術(shù)實施難度，歷史上各國的火星探測任務(wù)大都采用“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”來規(guī)劃飛行路徑，我國的“天問一號”也不例外。這種軌道所需的變軌次數(shù)最少，具有耗時短、操作簡單等優(yōu)點，基本過程包括三個階段：
第一階段，火星探測器從地球出發(fā)，在近地軌道加速，直到達到能夠脫離地球引力的第二宇宙速度。在這一階段，可以簡化地認為探測器主要受地球引力作用，軌跡相對于地球是雙曲線形狀，可采用“地心慣性坐標系”來計算和模擬探測器運動過程；第二階段，探測器逃離地球引力后、進入火星引力影響范圍之前，可以簡化地認為該探測器僅受太陽引力作用，其運動軌跡相對于太陽是橢圓，可采用“日心慣性坐標系”模擬計算其運動過程；第三階段，探測器進入火星引力影響范圍，可簡化地認為它只受到火星的引力作用，其軌跡相對于火星是雙曲線或橢圓，可采用“火星慣性坐標系”模擬計算其運動過程。最后，采用“圓錐曲線拼接法”將這3個階段的軌道拼接起來，就可以得到從地球飛向火星的大致軌道。在不同階段之間，探測器通過加速/減速實現(xiàn)軌道的轉(zhuǎn)移，就是所謂的變軌過程。當然，在同一階段中間也可以進行探測器速度方向和大小的調(diào)整，例如2020年10月9日，“天問一號”主發(fā)動機點火工作了約480秒，成功完成了“深空機動”，這實際上就是在第二階段中，為了使“天問一號”的運動軌跡與黃道面的夾角有所抬升，追上“飛得更高”的火星，所以主動改變探測器速度方向的過程。
上述三個階段只是從理論上對火星探測器的整體飛行軌道進行簡單描述，實際上“精確軌道設(shè)計”作為航天關(guān)鍵核心技術(shù)，需要根據(jù)航天器的能量限制、測控范圍等限制條件，依照軌道動力學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)理論，借助軌道設(shè)計相關(guān)軟件、仿真工具來詳細確定軌道參數(shù)?，F(xiàn)實中，在發(fā)射之后的飛行控制過程更是遠比設(shè)計和模擬結(jié)果復(fù)雜，需要結(jié)合對探測器的跟蹤遙測結(jié)果，確定現(xiàn)實軌道和理論計算結(jié)果的偏差，并多次發(fā)送軌道修正指令，以防止因為火箭發(fā)射、探測器分離、姿態(tài)控制、導(dǎo)航等復(fù)雜過程產(chǎn)生的細微誤差累積，導(dǎo)致最終與火星的交會結(jié)果“差之毫厘，謬以千里”。目前，“天問一號”已經(jīng)成功實施了數(shù)次誤差修正，包括2020年8月2日用3000牛頓的推進發(fā)動機實施第1次中途修正，以及9月20日用4臺120牛頓的發(fā)動機點火20秒實施的第2次中途修正等。
問：“天問一號”在進入火星軌道后還將面臨哪些挑戰(zhàn)？
答：在軌道飛行的第三階段，“天問一號”進入火星引力影響范圍后，需要進行關(guān)鍵、危險的“剎車”動作，讓自己被火星的引力“捕獲”，這一過程與從地球表面加速、“逃離”地球引力范圍的過程恰好相反。但是，這一動作的風險比從地球“逃離”時更大，體現(xiàn)在以下兩個方面：
制動捕獲機會的唯一性。不管是通過發(fā)動機點火減速，還是利用探測器多次穿越火星大氣層、通過與火星大氣的氣動阻力來減速，由于“天問一號”攜帶的燃料有限，因此必須精確判斷和控制發(fā)動機開關(guān)時間，并保證點火的可靠性，才能及時實施變軌或制動。
對自主控制的高要求。由于“天問一號”進入火星軌道時距離地球太遠，捕獲時與地球的單向通信延時超過10分鐘，而且地面遙測定軌精度有限，無法對制動過程進行實時監(jiān)視，因此不可能通過地球上科學(xué)家的實時遙控來“指揮”“天問一號”進行變軌和減速操作，而是必須由它自己根據(jù)預(yù)先植入的自主管理策略，自動實施變軌和捕獲操作。
更加困難的還在后面——“天問一號”在進入火星軌道后需要實現(xiàn)軌道器和著陸器的分離，完成在火星上的著陸，并且釋放能夠在火星表面“行走”的巡視器——火星車。雖然我國已經(jīng)多次完成月面軟著陸任務(wù)，并且成功在月球表面部署了“玉兔”號月球車，但是火星的環(huán)境和月球大不相同：火星擁有稀薄的大氣層，如果著陸器隔熱措施沒有做好，就可能導(dǎo)致著陸器因與大氣摩擦生熱而報廢；火星表面的引力加速度（相當于地球的38%）比月球引力（相當于地球的17%）強得多，使下降著陸過程更加緊張、驚險；火星上有比月球更復(fù)雜的地貌和風暴、沙塵暴等天氣，可能導(dǎo)致火星巡視器的太陽能電池板失靈；火星比地球和月球距離太陽更遠，單位面積接受的太陽能量只有月球的40%，導(dǎo)致火星巡視器的能源效率更低，等等。不僅如此，我國在進行月球著陸任務(wù)之前已經(jīng)積累了多次月球探測經(jīng)驗，對月球地形、環(huán)境已經(jīng)比較熟悉，“天問一號”則是我國首次成功抵達火星附近的任務(wù)，需要在缺乏關(guān)于火星大氣、地表環(huán)境的一手數(shù)據(jù)的情況下，一次性完成“繞、落、巡”三大目標，技術(shù)挑戰(zhàn)和難度不可謂不大。
從歷史上看，其他國家實施火星探測特別是火星著陸任務(wù)的成功率也不高。根據(jù)《科學(xué)》雜志2020年6月統(tǒng)計，歷史上人類共發(fā)射了18次火星著陸或火星漫游車任務(wù)，但只有10次獲得成功，總體成功率只有55.6%左右。如果算上僅圍繞火星運轉(zhuǎn)、不執(zhí)行著陸的火星軌道探測任務(wù)，目前人類實施過的火星探測活動約為40余次，完全或取得部分成功的只有20多次。由于“成功或部分成功”定義標準不一致，所以成功比例存在一定差別，但都不高于60%。
當然，很多早期的火星探測任務(wù)是20世紀60年代至70年代在美國和蘇聯(lián)進行“太空競賽”背景下開展的，當時人類技術(shù)水平有限，且這些探測任務(wù)受到“爭奪第一”的強烈目標驅(qū)動，不計成本和風險，因此失敗率很高。時至今日，由于擁有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，加上多年實施“探月工程”形成的寶貴技術(shù)和管理經(jīng)驗，相信我國能夠克服上述種種困難，實現(xiàn)火星探測領(lǐng)域的突破性成果。一旦“天問一號”的任務(wù)目標能夠全部實現(xiàn)，就可以毋庸置疑地說，我國在世界上首次創(chuàng)造了一次性實現(xiàn)“火星環(huán)繞、火星著陸、火星表面巡視”三大目標的工程奇跡，讓我國邁入深空探測領(lǐng)域的國際領(lǐng)先隊伍之中。
2020年10月30日，在上海舉辦的2020全球技術(shù)轉(zhuǎn)移大會上拍攝到的“天問一號”火星著陸器與巡視器（火星車）等比例模型。
