智东西（公众号：zhidxcom）
作者 | 信仪
编辑 | 漠影
智东西2月10日消息，刚刚，也就是在中国农历腊月二十九，北京时间19时52分，中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动任务成功！
▲国家航天局热烈祝贺首次火星探测任务天问一号环绕火星成功 来源：央视新闻客户端
天问一号环绕器3000N轨控发动机点火约15分钟，探测器顺利进入近火点高度约400千米，周期约10个地球日，倾角约10度的大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。
这意味着我国首次火星探测任务在实施近火制动环节，探测器成功“刹车”并被火星捕获，进入环火轨道，开启环绕火星之旅，对火星的地形及着陆点进行勘测。
首次火星探测任务由地火转移阶段进入火星捕获阶段后，天问一号环绕器携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷将陆续开始工作，对火星开展多维度探测。
抵达火星时，探测器距离地球约为1.92亿千米，实际飞行路程约4.75亿千米。
▲动画模拟天问一号探测器近火制动
天问一号环绕火星的过程大约将持续3个月的时间，预计于2021年5月中旬择机实施登陆任务，着陆火星表面。至此，中国将成为第六个到达火星的国家。
此外，2020“火星三杰”中，阿联酋“希望号”火星探测任务团队在北京时间今天凌晨零点左右公布，“希望号”进入环火轨道，抵达目的地。希望号是一个轨道探测器，主要任务是研究火星的大气和气候，后续没有登录任务。
▲确认“希望号”已成功进火星轨道后，阿联酋航空火星任务管理人员欢呼
除天问一号外，同样搭载火星车的美国“毅力号”探测器也将于2021年2月18日抵达火星，并即刻冲向火星表面。如果火星车能成功着陆，探测器将在一个干涸的火山口湖和河床中寻找灭绝生命的迹象。但在此之前，毅力号还将部署一架名为“机智号（Ingenuity）”的微型直升机，让它在稀薄的火星大气中尝试飞行，完成它自己的使命。
天问“问天”的旅程已行驶大半，为何这次近火“刹车”如此重要？从发射到抵达火星周边，6个半月的时间天问一号又经历了怎样的过程？我国探索火星有什么意义？让我们跟随文章一文看尽。
一、连续减速，对天问进行“自控力”考验
天问一号探测器从地球出发到火星执行任务需要经历6个飞行阶段，其中包括发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段。
▲天问一号执行任务6个飞行阶段
2020年7月23日，长征五号遥四运载火箭携天问一号在中国文昌航天发射场发射。飞行2177秒后，天问一号进入地火转移轨道，太阳翼展开，进行对日定向。
▲太阳翼展开，进行对日定向
如今，它成功进入了下一个飞行阶段，也就是火星捕获段，这意味着天问一号探索火星的任务真正拉开序幕。
这个阶段是控制天问一号的关键节点。在太阳系中，地球、火星都绕着太阳公转，天问一号从地球出发去往火星，就要边往前飞，边向外靠拢。等天问一号抵达火星轨道时，火星刚好公转到同一地方，探测器就要准备被火星引力吸引。
▲天问一号绕轨抵达火星概念图
天问一号会在这个窗口期仅有30分钟的阶段，持续点火约15分钟，以使其从第二宇宙速度11.2千米/秒减速制动。
更难的是，降速必须小于火星逃逸速度,也就是5.027千米/秒；同时必须达到环绕速度,也就是3.55千米/秒。如果速度过慢，火星无法吸住天问，探测器则会飞出天际；速度过快，探测器则会一头扎到火星上。这关键的“一脚刹车”，直接关系到我国火星探测任务能否成功。
除此之外，在这段时间中，探测器按照轨道会飞到火星背面，地球无法与天问一号取得联系，这也大大增加了控制天问一号的难度。等到地球上的航天工作者再次接收到探测器的信号，传递天问一号成功进入火星轨道的消息，这一难关才算度过。
环绕火星一段时间后，天问一号的着陆器和巡视器结合体将与轨道器分离，重进火星大气。如何确保着陆器和巡视器安全减速，完好无损地着陆在火星表面是另一个关键的问题。我国计划使天问一号通过气动减速段、伞降减速段、动力减速段、着陆缓冲段四个阶段逐步减速，以安全到达火星表面。
▲火星探测路线 来源：中国的航天
火星大气的密度只有地球的1%，探测器完成轨道姿态调整后，进入火星大气层时会经历“恐怖7分钟”。在短短7分钟的时间里，探测器的时速要从4.8千米/秒降低到0，而且还要调整好角度以避免外壳被大气层过渡加热而烧毁。
▲降落段约持续7~8分钟
最难的是，地球控制中心对整个着陆过程完全无法把控，天问一号要完全靠着陆器自主识别着陆点，自己规划整个过程，这也是对天问一号AI系统的一次检验。顺利着陆后，天问一号将释放出火星车，对火星进行着陆探测和巡视探测。
▲天问一号火星车地面测试
目前，人类研发出了三种方式进行火星软着陆，分别为气囊弹跳式、反推着陆腿式、空中起重机式。这三种方式各有利弊，我国的天问一号选择的反推着陆腿式，这一方式复杂，成本也较高，需要降落伞减速后反推发动机点火，使探测器再次减速，并在着陆前进行自主悬停避障，但这种方法能满足重量较大探测器的软着陆要求，着陆精度也相对较高。
▲反推着陆腿式着陆
当然，人类也在探索新的着陆方式。据了解，NASA（美国航空航天局）就正在积极研制新型火星着陆装置——低密度超声减速器，以满足更大质量探测器的着陆减速要求。
二、发射到近火制动6个半月，天问一号经历了什么？
将视线拉回到6个半月前，不少人聚集在中国文昌航天发射场不远处，举起手机或相机记录下了长征五号火箭将“天问一号”火星探测器送上天空的历史性一刻。
▲搭载天问一号的长征五号火箭发射
5天后，也就是2020年7月27日，天问一号探测器在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了清晰的地月合影。此时，探测器已脱离地球引力影响范围，进入行星转移轨道。
▲天问一号获取清晰地月合影
为确保天问一号在预定时间准确与火星交会，在地火转移段，探测器需要进行4~5次中途修正和1次深空机动。
2020年8月2日、9月21日、10月28日，2021年2月5日，天问一号累计完成了四次轨道中途修正。2020年10月9日，天问一号探测器主发动机点火工作480余秒，顺利完成深空机动。
中途修正是指在探测器飞行过程中，对各种原因导致的轨道偏离进行修正，使探测器更贴近理论轨道飞行。深空机动是运载火箭入轨弹道和地火转移轨道联合优化的结果，能够提升运载的发射能力、增加探测器的发射质量，使探测器可以携带更多的推进剂，更好地完成探测任务。
▲探测器深空机动轨道示意图
由于实际飞行情况极其复杂，理论轨道是不可能完全实现的，必须经过轨道修正和深空机动尽量逼近。
其中，火箭推力对入轨精度的影响，太阳系内各种天体及其引力的影响，以及轨道修正及深空机动本身的误差都会使实际轨道与理论轨道有所偏离。综合看来，任何一个火星探测器都无法飞在一条理想的地火转移轨道上，中途会根据探测器需要，施行深空机动和不同次数轨道修正。
2020年10月1日国庆节，天问一号将一张与国旗“自拍”的图片传回地球。这是我国探测器首次深空“自拍”，为祖国送上生日祝福。探测器上的五星红旗，尺寸约为39×26厘米，略小于一张A3纸，重约144克，图案采用特殊材料和工艺喷涂。
▲天问一号与国旗“自拍”图片
探测器飞行图像由其携带的分离测量传感器拍摄，利用探测器自身两侧安装的两个广角摄像头，每秒拍摄一张图像，用过Wi-Fi通信方式将图像传送给探测器，再由探测器转发给地面站。
在2021年2月5日，国家航天局公布了天问一号拍摄的首幅火星图，这是探测器在距离火星约220万公里处获取的。由于黑白照片细节清晰、质感强等物理优势，太空照片大多都以黑白拍摄，却鲜少有国家像我国一样直接公布黑白照片。后续，天问一号拍摄的火星被进行后期上色，我们才能看到既生动又清晰的红色星球图片。
▲天问一号拍摄的首幅火星图及上色后图片
图中，火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑，以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。
▲天问一号拍摄的首幅火星图细节
北京大学地球与空间科学学院教授焦维新先生解读说，阿茜达利亚平原是火星上一个较大的平原，不少人关心的“火星脸”就盛产于这个平原内的赛东尼亚区，科学家一直在争论这个平原及其北部低地还有其他地方是否存在火星古代的海洋。
▲“火星脸”
在阿茜达利亚平原南部紧挨着的是克律塞平原，希腊语译为黄金平原。它的直径约为1600米，地势较低，一般被认为是古代火星河流汇聚的地区。
子午高原位于火星赤道附近，且接近于火星上的本初子午线。美国的“机遇号”在这个地方发现了一些海水矿物，这些矿物是在有水的情况下才能形成的，也成为了火星上可能有水的证明。
基亚帕雷利坑是一个相当大的陨石坑，直径461千米，这个陨石坑显示了很多火星可能有风、火山和水的证据。
在火星表面靠近赤道的地方，有一条很长的沟。它是火星甚至太阳系内最大的峡谷——水手谷。学界有一个基本观点认为，这个峡谷是由于火星地壳张烈拉伸，陷落形成的，但这个峡谷确切的真实成因还无法确定。
▲“水手谷”
而我国天问一号的火星车选择的着陆点为火星上最大的平原——乌托邦平原。乌托邦平原处于火星北半球，直径达到3200千米，地势相对平坦，天问一号选择在此着陆相对安全。
▲“乌托邦平原”
此前，美国发射的“海盗2号”着陆器就是在这里着陆的，当时“海盗2号”拍摄到了火星冬天有霜的照片，也拍摄到了火星上的日出。尽管照片是伪彩色的，但依旧可以看出火星大气层的特点。
这次，天问一号火星车携带了地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪6个仪器，为火星车在火星表面进行巡视探测提供支持。
此外，为了适应火星地表的特殊环境，火星车还具备环境感知、障碍识别、局部路径规划及多轮运动协调控制等功能，以保证其在长达至少一个火星年（687个地球日）的探索中安全运行。
三、绕落巡完成五大科学目标，深空探测站协助地火通信
人类探测火星的方式与探测月球的方式基本类似，包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测这五种。
其中，采用环绕探测方式可以对火星进行整体普查或全球侦测；采用着陆探测和巡视探测方式可以对火星进行区域性详查；采用采样返回探测和载人登陆探测方式可以对火星进行区域性精查。
这五种方式，在难度上循序渐进。而此次中国的天问一号，将在火星实现“绕、落、巡”任务一步到位，这是美国、俄罗斯、前苏联都没有做到的。
从1976年至今，人类探索火星已有近50年。尽管此前探火着陆任务的成功率只有47.1%，但依旧无法抵挡人们对探索这颗星球的渴望。
目前，在对这颗神秘红色星球的探索中，人类主要关注5个方面的研究，分别为：
1、 火星大气特征和气候变化研究；
2、 火星地形地貌和地质构造研究；
3、 包括火星磁场、重力场等在内的火星物理场和内部结构研究；
4、 火星上的水和生命信息探测；
5、 在火星上建立科学观测台和实验室，观测火星上可能存在的资源。
▲火星表面河道（左一）、干枯盐湖（右一）形貌特征
此次天问一号“绕、落、巡”三步走的科学目标具体来说也分为五个方面，分别为：
1、 绘制火星形态和地质结构图；
2、 调查火星表面的土壤特征和水冰分布；
3、 分析火星表面的物质组成；
4、 测量电离层和火星地表气候及环境特征；
5、 探索火星的物理场（电磁场、引力场等）及内部结构。
天问一号是我国第一个火星探测器，能帮助我国获得火星立体图像、火星矿物质分布和水源分布等信息，为我国未来的火星探测指明方向。
▲此前别国轨道探测器上的浅层雷达探测的火星次表层水冰分布
要完成这些任务，拍摄和通讯技术是非常重要的一环。
我国首次火星探测任务66米深空测控设备总设计师杜丹说，此次“天问一号”的环绕器上搭载了一个高分辨率的拍摄装置，即使在遥远的距离也可以获得火星上平原、高地、峡谷等地形地貌的清晰影像。
此后，待天问一号被火星引力捕获后，拍摄装置还将用于环绕火星做地形地貌勘测、选择着陆点等任务，通过照片留下探测依据。
杜丹称，事实上，天问一号拍照，和我们用手机拍摄的原理相同，其特殊之处，在于多了一个相隔上亿公里的传输。
星际探测器和地球之间可以通过两种方式进行通信，一是天问一号直接连接地球上的深空测控网完成数据收发，二是当火星车降落地表后，地球通过在轨飞行的天问一号探测器中转信号，完成与火星之间的通信。
▲中继通信段
深空测控网就像在地球上建立了若干Wi-Fi热点，而如此远距离的传输，则需要归功于深空站。当前，中国深空测控网位于中国的佳木斯和喀什深空站，和位于南美洲阿根廷的内乌肯深空站组成。
此次主要使用的黑龙江佳木斯的深空测控站有一副直径66米的天线，形似大锅盖，是一个作用距离极远的“遥控器”，可以利用10kw功放将地面的指令发送到遥远的距离，实现对日定向、探测器变轨、姿态调整、发动机点火等动作，确保探测器沿正确的轨道飞行以及巡视器最终顺利软着陆。
▲佳木斯深空站66米测控设备
同时，这个深空测控站还有高灵敏度的接收能力，可以时刻调整角度，负责在外太空噪声中寻找、捕获探测器信号，建立起探测器到地球之间的通信链路，获得探测器供电、温度、开关等工作状态及载荷参数和科学试验数据。
而由于行星之间数据传输“道路狭窄”，要想传输高质量图像往往需要大量数据帧，传输过程有时甚至会超过10分钟。为避免误码或数据丢失等情况发生，科学家们也采用编译码和纠错的方式，确保图像的正确传输。
所以除了专用的深空探测站外，中国科学家还准备了诸如北京密云、天津武清等天线站，大家一起组阵接收信号，为中国的火星探测任务保驾护航。
在陪伴天问“问天”的旅程中，“民以食为天”的国人像“嫦娥五号奔月挖土”时一样，再次问出了“火星上能种菜吗”的实在问题。
央视曾报道，经过科学家对月壤的研究发现，月壤中不含有任何有机养分，不能种菜，而火星是否能“种土豆、白菜”的问题，或许需要下次探火获取“火壤”时才有答案。
结语：天问“问天”
从2020年7月到2021年除夕前夕，半年多的时间，天问一号走过了近5亿千米的路程，只为奔向那个神秘的红色星球——火星。
▲天问探火
作为中国第一个即将登上火星的探测器，“天问一号”及其所携火星车的名字都是由征集投票决定的。2021年1月20日，中国首辆火星车命名开启网络投票，网民们将在前期选出的“弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、风火轮、追梦、天行、星火”十个名字中投票选出火星车的名字，2021年3月2日投票截止，我国第一个火星车的名字将很快面世。
天问还在路上，我们期待它亲密接触火星的一刻，也相信它能出色完成后续的任务。
参考资料：央视网、中国探月工程、中国的航天等
