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    2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭托舉著我國首次火星探測任務“天問一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。

“天問一號”任務火星探測器由中國航天科技集團五院抓總研制，發(fā)射升空后將經(jīng)歷7個月左右的長途跋涉，突破極其遙遠距離，到達火星并開展環(huán)繞和巡視探測。

“探火”任務非“胖五”莫屬 

發(fā)射深空探測器，需要運載火箭提供足夠的發(fā)射能量，使探測器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下，重量越大的探測器，所需要的發(fā)射能量也越大。

在長征五號火箭出現(xiàn)之前，當時運載能力最強的長征三號乙火箭，大約可以將兩噸左右的探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，而長征五號運載火箭的地火轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，超過了5噸。因此，發(fā)射“天問一號”任務的大號探測器，只有“胖五”能夠勝任。

長征五號運載火箭2006年國家正式批準立項研制，2016年11月3日在文昌航天發(fā)射場首飛成功，可謂十年磨一“箭”。長征五號運載火箭外形巨大，總長約57米，箭體直徑達到5米，而此前我國現(xiàn)役火箭箭體直徑最大的只有3.35米，由于其顯著粗壯的外形，被網(wǎng)友親切成為“胖五”。

長征五號不僅是我國最高、體積最大的火箭，也是運載能力最強的火箭。長征五號火箭起飛質(zhì)量約870噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸運載能力，比長征三號乙火箭運載能力提升了2.5倍。長征五號首飛成功，大幅提升了我國自主進入空間的能力，把中國火箭送入包括美國和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營。中國未來的載人航天工程空間站建設、探月工程三期以及火星探測任務，都將使用長征五號運載火箭。

“胖五”飛出我國運載火箭的最快速度

此次發(fā)射最大的看點是“胖五”將首次飛出11.2千米/秒的第二宇宙速度，托舉探測器完全脫離地球引力，奔向火星。第二宇宙速度也稱為逃逸速度，達到這一速度的航天器將成為圍繞太陽運行的人造行星。

“此次發(fā)射火星探測器，是長征五號火箭第一次達到并超過第二宇宙速度，飛出了我國運載火箭的最快速度�！遍L征五號火箭總設計師李東介紹說。

“胖五”提供的發(fā)射能量（也就是分離時探測器動能和勢能的總和）將是探測器飛往火星的主要能量來源。探測器與運載火箭分離后，將開啟漫長的奔火之旅，大約要飛行7個月的時間，期間還需要經(jīng)過中途修正，修正軌道偏差。

在靠近火星附近時探測器將實施制動，實現(xiàn)被火星的引力場所捕獲，進入周期約10個火星日的環(huán)火橢圓軌道，再擇機實施軌道機動，進入周期約2個火星日的橢圓停泊軌道，完成著陸區(qū)預先探測和著陸點調(diào)整后，擇機釋放著陸巡視器。環(huán)繞器隨即進行軌道調(diào)整，進入中繼通信軌道。

著陸巡視器與環(huán)繞器分離后，進入火星大氣，通過氣動外形、降落傘、反推發(fā)動機等多級減速和著陸腿緩沖，軟著陸于火星表面。巡視器與承載平臺分離，在火星表面開展巡視科學探測。

“天問一號”將一步完成

“環(huán)繞、著陸、巡視探測”

我國首次火星探測任務起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就瞄準當前世界先進水平確定任務目標，明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大任務。如果這一目標能夠順利實現(xiàn)，我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。

據(jù)航天科技集團五院深空探測領域?qū)＜医榻B，由該院抓總研制的“天問一號”任務火星探測器，由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，其中著陸巡視器又由進入艙和火星車組成，進入艙完成火星進入、下降和著陸任務，火星車配置了多種科學載荷，在著陸區(qū)開展巡視探測。

中國航天科技集團五院供圖

通過首次火星探測任務的實施，我國將驗證火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關鍵技術，為建立獨立自主的深空探測基礎工程體系夯實基礎，推動我國深空探測活動可持續(xù)發(fā)展。

“天問一號”漫長旅行中要闖過三大關卡

第一關：

捕獲！火星快抓住我

“天問一號”將作為我國第二個進入環(huán)太陽軌道（第一個是“嫦娥二號”）的深空探測器直飛火星，想要讓它能安然被火星捕獲，就需要分別克服幾個難點：

1、捕獲問題

火星的質(zhì)量比較小，其引力捕獲范圍也比較小，想要被火星捕獲，就需要極其精確的軌道才能實現(xiàn)。不過按照此前“北斗”系列衛(wèi)星高超的發(fā)射精度來看（同步轉(zhuǎn)移軌道遠地點精度2公里，相當于近地點速度僅有每秒幾厘米的差異），這顯然不是問題；

2、通訊問題

火星與地球的距離在5000萬公里到4億公里不等，考慮到被火星捕獲的時候兩個星球之間的相位，顯然，比起“嫦娥”系列任務38萬公里的距離而言，是數(shù)百倍的差距。如此深遠的距離導致探測器天線發(fā)出的信號將變得十分微弱，因此需要地面構建深空探測網(wǎng)絡（Deep Space Network, DSN）。

我國的DSN已經(jīng)初步建成，而且證明了其能力：幾年前我國利用這套系統(tǒng)跟蹤飛出地月系的“嫦娥二號”，直到8000萬公里的深空，依然能夠與之通訊；如果把標準放寬一點，僅僅是追蹤航天器的話，2015年，我國研究團隊就已經(jīng)測量到了47億千米外的“新地平線號”探測器。同時，隨著今年70米口徑深空天線在天津落成，以及與歐空局的深度合作，我國深空探測通信的問題顯然也已得到解決。

第二關：

制動！進入環(huán)火星軌道

“天問一號”被火星捕獲之后，為了能夠進入環(huán)火星軌道，需要其能夠在近火星點進行制動，進入一個環(huán)繞火星的橢圓軌道且長期保持運行。

在被火星引力捕獲的30顆探測器中，除去3次飛掠任務與7次不進入軌道直接進入火星大氣層著陸的任務之外，僅有3顆衛(wèi)星進入環(huán)火軌道失敗，這其中既有探測器本身的因素，也有人為的因素。在此階段的難點主要在于：

1. 指令注入問題

在進入環(huán)火軌道的階段，地球與火星的通信延遲在十幾分鐘，這就意味著我們無法通過人工即時操作，只能預先注入指令的辦法來控制探測器。不過這個問題對于一個已經(jīng)發(fā)射了數(shù)百顆人造衛(wèi)星的國家而言不是難事，這與日常的發(fā)射任務的控制原理本身就是一樣的。只要不發(fā)生上世紀末美國的“火星氣候探測者”探測器因為控制系統(tǒng)采用公制單位，而地面人員注入了英制數(shù)據(jù)導致其直接進入火星大氣焚毀的低級錯誤，那么這就不是問題。

2. 器件壽命問題

我們注意到，之前有兩次失敗任務是由器件損壞引起的，不過這兩次失敗的任務都發(fā)生在上世紀七十年代，隨著人類技術的不斷提升，這個問題也將在很大程度上得到解決，至少21世紀以來進入火星軌道的探測器，它們都在預定軌道上運行得好好的。

第三關：

下降！死亡七分鐘

在進入火星軌道之后，“天問一號”需要花幾個月的時間對火星表面進行測繪。等獲取合適的落區(qū)圖像之后，“天問一號”的著陸器將與軌道器分離，進入下降階段。

火星表面崎嶇不平。圖片來源：NASA

下降階段的時長往往在幾分鐘到數(shù)小時不等，美國人喜歡稱之為“死亡七分鐘”，這是由于他們的著陸器大部分跳過了進入環(huán)火軌道步驟，直接高速進入火星大氣層。而“天問一號”采用類似于上世紀美國“海盜號”探測器的方案，從火星的大橢圓軌道進入大氣層，速度更為緩慢一些，在火星大氣層中的飛行時間會比七分鐘長一些，技術難度相對要低一些。因此盡管我國一次性實現(xiàn)“繞落巡”的設置比較激進，不過難度仍然在可以接受的范圍內(nèi)。

但這絕不意味著登陸火星的任務就如同游戲一般簡單。在此前15次火星著陸任務中，成功完成軟著陸任務的有12次，但真正能實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬H有8次，且這8位幸運兒都是美國研制的探測器。“天問一號”想要打破“美國魔咒”，圓滿完成著陸任務，一次性實現(xiàn)“落、巡”兩步，同樣需要克服幾個難點：

1. 自主著陸問題

盡管“嫦娥三號”與“嫦娥四號”已經(jīng)成功完成了地外天體的自動著陸任務，但要注意的是，著陸月球是全程使用反沖發(fā)動機的，影響因素少；而且地月之間的通訊延時僅有一秒多，一旦在某些過程發(fā)生問題（例如懸停避障階段），人工操控也能予以挽回。

而火星的第一宇宙速度相對月球而言較高，無法實現(xiàn)全程動力下降；雖然可以利用火星大氣進行氣動減速，輔以降落傘，可以較大量地削減下降階段需要的燃料，然而火星大氣過于稀薄，即便大面積展開降落傘，其末速度還是較大，因此仍然需要利用發(fā)動機反沖下降；且地火通訊延遲高，人工無法干預，此外還有火星近地面空氣的擾動問題等等，因此一切復雜的操作只能靠著陸器自己完成，這對于自動控制的要求無疑上了一層臺階，是下降段任務的最大難點之一。

2. 著陸器元器件可靠性問題

除了直接因為控制系統(tǒng)失靈的問題之外，著陸過程中產(chǎn)生的震動，火星獨特的環(huán)境也將令元器件失效的可能性大大增加。盡管現(xiàn)在航天器件的可靠性都有了質(zhì)的提升，令近年來的火星任務成功率不斷走高，但相關問題仍然存在——例如降落傘或者電池板會不會卡死，電池板會不會因為火星揚塵而導致失效等等，這些核心問題關乎任務能否順利完成。

我國火星探測器示意圖。圖片來源：國家航天局

好在這些難點在地面上都一一進行了演示驗證，特別是去年11月的模擬火星重力的著陸器動力下降實驗，向全世界展示了我國在登陸火星上的充足準備。