天問一號：為登上火星做好準備
“天問一號”在距離火星約220萬公里處獲取的首幅火星影象。新華社發
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“毅力”號火星車在火星著陸的過程示意圖。新華社發
2月24日，中國首次火星探測任務天問一號再傳喜訊。當日6時29分，天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入近火點280千米、遠火點5.9萬千米、週期兩個火星日的火星停泊軌道。
事實上，在剛剛過去的春節假期，天問一號相當“忙碌”。2月10日，探測器抵達火星軌道，成為中國首顆人造火星衛星；2月12日，天問一號火星捕獲過程影像公開，從距離地球1.9億公里之外傳回新春的祝福；2月15日，天問一號成功實施捕獲軌道遠火點平面機動……
進入停泊軌道後，天問一號探測器將在此執行約3個月，環繞器7臺載荷將全部開機，開始科學探測，併為擇機著陸火星做好準備。
制動捕獲闖難關
天問一號探測器在經過長途飛行後，如何及時制動並最終被火星捕獲，是任務中風險最高、難度最大的環節之一，直接關係到探測任務的成敗。
捕獲過程難在哪兒？探測器抵達火星軌道附近時，距離火星只有400公里，但相對火星的速度卻高達4至5公里每秒。因此，探測器必須點火制動、及時“剎車”。否則，如果制動時間過長、剎車踩早了，探測器就會一頭撞向火星；如果時間過短、晚踩剎車，探測器就會因速度過快而飛離火星，無法進入環繞軌道。
在此過程中，探測器能夠被火星引力捕獲的機會僅有一次，“視窗期”更是隻有半個小時。要想實現完美捕獲，天問一號不僅要靠地面的指令，更要在關鍵時刻依靠自己的“智慧”進行決斷。
在歷次嫦娥探月任務中，中國成功實施了多次近月制動。雖然同樣是制動，近火制動的難度要比近月制動更大。地月平均距離約38萬公里，單向通訊時延只有1秒左右。大多數情況下，地面可以直接控制月球探測器的動作。但天問一號探測器被火星捕獲時，火星探測器距離地球約1.9億公里，單向通訊時延達10分鐘以上。地面無法對制動過程進行實時監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略，這對於環繞器的自主導航與控制提出了極高要求。
專家表示，為了精確把控發動機的開關時機，環繞器在近火捕獲前需要由地面對其進行精確的無線電測定軌。除了無線電通訊導航外，天問一號還首次利用光學導航敏感器作為備份導航工具，透過探測器上的一雙“眼睛”實時觀測環繞器和火星的精確位置。地面團隊可藉此更直觀地確認飛行軌道和姿態，計算影象中火星的幾何中心和視半徑。天問一號可以透過最優估計算法自主獲取實時位置和速度資訊，依靠可靠的捕獲策略，確保進入環火軌道。
據瞭解，這是中國首次在行星際轉移飛行過程中應用光學自主導航技術，中國也由此成為世界上第二個掌握並在軌驗證火星光學自主導航技術的國家。
此外，在制動過程中，環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理，以最大限度保證火星捕獲成功。為了解決超遠距離通訊問題，火星環繞器還裝備了測控數傳一體化系統，實現了系統重量輕、通訊效率高、通訊鏈路可靠的目標。
多維探測“打前站”
成功被火星捕獲並完成“繞、著、巡”的第一步後，天問一號還有多項新任務——既要對火星開展多維度探測，更要為下一步著陸火星做好準備。
2月15日，天問一號進行遠火點平面機動，探測器的飛行從繞著火星赤道變成繞著火星南北極。2月24日，探測器經過第三次近火制動進入火星停泊軌道。專家表示，這幾次軌道的調整，就是為了讓天問一號“考察”之前選中的著陸點。
天問一號的探測器由環繞器和著陸巡視器兩部分組成。從發射到近火制動的過程中，環繞器主要承擔飛行任務；火星捕獲後，環繞器將為著陸巡視器進行著陸預報；成功釋放著陸巡視器後，環繞器將作為通訊器，為著陸巡視器建立與地球之間的中繼通訊鏈路；火星車3個月的工作結束後，環繞器還將繼續進行長達一個火星年即將近兩個地球年的深度探測。
據專家介紹，為了給火星車和著陸平臺“打前站”，環繞器將用攜帶的中分和高分相機、磁強計、礦物光譜分析儀等裝置對火星開展多維度探測，包括對預定著陸區進行詳細的地形、地貌探測，對著陸區附近大幅寬、大面積的區域進行沙塵暴探測，為火星探測任務第二步的“著”提供預報，並擇機實施火星著陸。
在天問一號探測器一路奔火的途中，中國首輛火星車1∶1複製試驗車仍在持續進行地面驗證，為著陸後可能遇到的情況做準備。著陸巡視器在火星表面軟著陸成功後，火星車將在科學任務軌道上對火星的地形地貌、土壤結構、水冰分佈、表面的物質成分以及火星的空間環境進行探測，最終將形成火星全球圖。
麒麟、哪吒、追夢、星火……儘管中國火星車的姓名尚未最終出爐，但其“百般武藝”早已深入人心。火星車配備了能避開障礙、實施前行實時探測的全景相機，識別礦物質成分的多光譜相機。同時，火星車還裝有4個“翅膀”——太陽能電池板。除此之外，火星車還配有探測雷達、磁場探測儀和氣象測量儀，可以對火星進行全方位探測。裝在火星車上的次表層探測雷達將對火星地表以下10米甚至100米深度的火星內部結構進行“透視”，探測巡視區表面土壤厚度、冰層結構，獲取火星地表和次表層超寬頻全極化回波資料，並探測巡視區次表層結構，獲取次表層地質結構資料。
中國首輛火星車的設計壽命為90個火星日。由於火星上的一天比地球略長（火星自轉週期約為24小時37分鐘），因此火星車將在火星上工作92個地球日。
與環繞器火星捕獲相似，由於地火遠距離資料傳輸的時延，要求火星車必須具有很高的自主能力。同時，火星光照強度小，再加上火星大氣對陽光的削減作用，火星車能源供給比月球車更為困難——這些因素都使得火星探測任務更具難度和複雜性。
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中美阿同期探“火”有何不同？
在2020年7月的火星探測器發射視窗期，中國、美國、阿聯酋相繼發射火星探測器。如今，3個國家的探測器均順利抵達火星。
2月9日，阿聯酋首個火星探測器“希望”號成功進入火星軌道，開始對火星大氣層的監測和研究。“希望”號共攜帶3組研究火星大氣層和監測氣候變化的裝置，主要任務是拍攝火星大氣層圖片，研究火星大氣的日常和季節變化，預計將持續圍繞火星執行至少兩年。
美國“毅力”號火星車於2月18日在火星赤道以北的耶澤羅隕石坑著陸。美國的此次探測任務將在兩年的時間裡，尋找火星上可能存在過的生命跡象。同時，“毅力”號還將探索火星的地質和氣候特徵，為未來人類探索和登陸火星探路。
“毅力”號是美國航天局造訪火星表面的第九個探測器，也將是首個從火星取樣以供送回地球的探測器。“毅力”號從火星上採集的岩石和土壤樣本，未來將在其他火星探測任務中被帶回地球——根據計劃，2026年以後，一輛“取貨車”將前往火星，把“毅力”號留下的樣品取回。
中國全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩表示，中美火星探測的任務目標和技術方案均不相同。“毅力”號的任務目標是尋找生命，美國透過此前的探測，對著陸點比較熟悉，因此選擇“直奔主題”。中國首次火星探測任務則是將“繞、著、巡”三步並作一步，在環繞過程中對著陸區進行詳細勘測，這在人類火星探測史上是前所未有的。中國空間探測技術在不斷積累中日臻完善，如今探測火星的各項條件已經成熟。（記者 劉嶢）
《 人民日報海外版 》（2021年02月25日 第 09 版）
來源:人民日報海外版