揭秘｜我国“天问一号”即将抵达火星轨道背后……
根据国家航天局近日公布的消息，我国2020年7月23日发射的火星探测器“天问一号”经过漫漫长路飞行，计划于2月10日左右抵达火星轨道。“天问一号”这一路走来的过程是怎样的？需要面对哪些挑战？后续任务计划如何？我们约请中国科学院文献情报中心“空间光电与重大科研设施”团队情报咨询师郭世杰和读者进行简要解读。
“天问一号”在宇宙中的“自拍照”。
问：为什么“天问一号”和阿联酋、美国探测器发射和抵达火星的时间如此接近?
答：很多读者已经注意到，2020年除了我国之外，还有别的国家在很相近的时间内开展了2个火星探测任务，一是阿联酋的“希望”号（2020年7月20日由日本火箭发射），二是美国的“毅力”号（2020年7月30日发射），它们的发射日期都与“天问一号”相差不到10天。不仅如此，三个探测器抵达火星轨道的日期也十分接近（“希望”号和“毅力”号抵达火星轨道的日期分别在2021年2月9日、2月18日左右）。之所以出现这种“巧合”，是因为世界各国都争相利用了探测火星的“时间窗口”。
众所周知，火星与地球都在围绕太阳进行公转，却拥有不同的公转周期（地球是365天，火星则是687天），因此两个星球之间的距离是时大时小的，最近的交会距离每780天（相当于26个月左右）才发生一次。距离最遥远的时候，火星和地球位于太阳的两边，相距4亿公里之远；距离最近的时候，火星和地球位于太阳的同一边，两者相距最近可以达到五六千万公里左右（即便是这一距离，也相当于地球和月球平均距离的100倍以上，用光速也需要好几分钟才能走完）。更加复杂的是，由于火星和地球运行轨迹都是椭圆，且偏心率不同，所以每次火星和地球“交会”时的距离也不尽相同；交会距离最短的时机会每隔15年至17年出现一次，此时的天文现象被称为“火星大冲”。
由于世界各国都在争相开展火星探测行动，因此各国不可能去等十几年才发生一次的“火星大冲”时机，而是利用每26个月左右出现一次的时间窗口来发射火星探测器。此外，由于探测器从发射到进入火星轨道还需要耗费至少几个月时间，因此探测器到底应该提前多久从地球“出发”，也需要非常精确地进行推算，这样才能让探测器在有限的燃料、有限的变轨次数条件下，在火星距离地球比较近的时机“切入”火星轨道。如果发射得过晚，就可能在探测器耗尽燃料时，火星已经运转过了最接近地球的位置，导致探测器“追不上”火星；如果发射得过早，就可能导致探测器抵达交会位置时，火星“还没有到”，导致探测器提前飞越过了目标，进入茫茫的星辰大海。
问：“天问一号”从发射到进入火星轨道要经历哪些阶段？
答：为了降低轨道计算复杂性和技术实施难度，历史上各国的火星探测任务大都采用“霍曼转移轨道”来规划飞行路径，我国的“天问一号”也不例外。这种轨道所需的变轨次数最少，具有耗时短、操作简单等优点，基本过程包括三个阶段：
第一阶段，火星探测器从地球出发，在近地轨道加速，直到达到能够脱离地球引力的第二宇宙速度。在这一阶段，可以简化地认为探测器主要受地球引力作用，轨迹相对于地球是双曲线形状，可采用“地心惯性坐标系”来计算和模拟探测器运动过程；第二阶段，探测器逃离地球引力后、进入火星引力影响范围之前，可以简化地认为该探测器仅受太阳引力作用，其运动轨迹相对于太阳是椭圆，可采用“日心惯性坐标系”模拟计算其运动过程；第三阶段，探测器进入火星引力影响范围，可简化地认为它只受到火星的引力作用，其轨迹相对于火星是双曲线或椭圆，可采用“火星惯性坐标系”模拟计算其运动过程。最后，采用“圆锥曲线拼接法”将这3个阶段的轨道拼接起来，就可以得到从地球飞向火星的大致轨道。在不同阶段之间，探测器通过加速/减速实现轨道的转移，就是所谓的变轨过程。当然，在同一阶段中间也可以进行探测器速度方向和大小的调整，例如2020年10月9日，“天问一号”主发动机点火工作了约480秒，成功完成了“深空机动”，这实际上就是在第二阶段中，为了使“天问一号”的运动轨迹与黄道面的夹角有所抬升，追上“飞得更高”的火星，所以主动改变探测器速度方向的过程。
上述三个阶段只是从理论上对火星探测器的整体飞行轨道进行简单描述，实际上“精确轨道设计”作为航天关键核心技术，需要根据航天器的能量限制、测控范围等限制条件，依照轨道动力学相关基础理论，借助轨道设计相关软件、仿真工具来详细确定轨道参数。现实中，在发射之后的飞行控制过程更是远比设计和模拟结果复杂，需要结合对探测器的跟踪遥测结果，确定现实轨道和理论计算结果的偏差，并多次发送轨道修正指令，以防止因为火箭发射、探测器分离、姿态控制、导航等复杂过程产生的细微误差累积，导致最终与火星的交会结果“差之毫厘，谬以千里”。目前，“天问一号”已经成功实施了数次误差修正，包括2020年8月2日用3000牛顿的推进发动机实施第1次中途修正，以及9月20日用4台120牛顿的发动机点火20秒实施的第2次中途修正等。
问：“天问一号”在进入火星轨道后还将面临哪些挑战？
答：在轨道飞行的第三阶段，“天问一号”进入火星引力影响范围后，需要进行关键、危险的“刹车”动作，让自己被火星的引力“捕获”，这一过程与从地球表面加速、“逃离”地球引力范围的过程恰好相反。但是，这一动作的风险比从地球“逃离”时更大，体现在以下两个方面：
制动捕获机会的唯一性。不管是通过发动机点火减速，还是利用探测器多次穿越火星大气层、通过与火星大气的气动阻力来减速，由于“天问一号”携带的燃料有限，因此必须精确判断和控制发动机开关时间，并保证点火的可靠性，才能及时实施变轨或制动。
对自主控制的高要求。由于“天问一号”进入火星轨道时距离地球太远，捕获时与地球的单向通信延时超过10分钟，而且地面遥测定轨精度有限，无法对制动过程进行实时监视，因此不可能通过地球上科学家的实时遥控来“指挥”“天问一号”进行变轨和减速操作，而是必须由它自己根据预先植入的自主管理策略，自动实施变轨和捕获操作。
更加困难的还在后面——“天问一号”在进入火星轨道后需要实现轨道器和着陆器的分离，完成在火星上的着陆，并且释放能够在火星表面“行走”的巡视器——火星车。虽然我国已经多次完成月面软着陆任务，并且成功在月球表面部署了“玉兔”号月球车，但是火星的环境和月球大不相同：火星拥有稀薄的大气层，如果着陆器隔热措施没有做好，就可能导致着陆器因与大气摩擦生热而报废；火星表面的引力加速度（相当于地球的38%）比月球引力（相当于地球的17%）强得多，使下降着陆过程更加紧张、惊险；火星上有比月球更复杂的地貌和风暴、沙尘暴等天气，可能导致火星巡视器的太阳能电池板失灵；火星比地球和月球距离太阳更远，单位面积接受的太阳能量只有月球的40%，导致火星巡视器的能源效率更低，等等。不仅如此，我国在进行月球着陆任务之前已经积累了多次月球探测经验，对月球地形、环境已经比较熟悉，“天问一号”则是我国首次成功抵达火星附近的任务，需要在缺乏关于火星大气、地表环境的一手数据的情况下，一次性完成“绕、落、巡”三大目标，技术挑战和难度不可谓不大。
从历史上看，其他国家实施火星探测特别是火星着陆任务的成功率也不高。根据《科学》杂志2020年6月统计，历史上人类共发射了18次火星着陆或火星漫游车任务，但只有10次获得成功，总体成功率只有55.6%左右。如果算上仅围绕火星运转、不执行着陆的火星轨道探测任务，目前人类实施过的火星探测活动约为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”定义标准不一致，所以成功比例存在一定差别，但都不高于60%。
当然，很多早期的火星探测任务是20世纪60年代至70年代在美国和苏联进行“太空竞赛”背景下开展的，当时人类技术水平有限，且这些探测任务受到“争夺第一”的强烈目标驱动，不计成本和风险，因此失败率很高。时至今日，由于拥有较好的技术基础，加上多年实施“探月工程”形成的宝贵技术和管理经验，相信我国能够克服上述种种困难，实现火星探测领域的突破性成果。一旦“天问一号”的任务目标能够全部实现，就可以毋庸置疑地说，我国在世界上首次创造了一次性实现“火星环绕、火星着陆、火星表面巡视”三大目标的工程奇迹，让我国迈入深空探测领域的国际领先队伍之中。
2020年10月30日，在上海举办的2020全球技术转移大会上拍摄到的“天问一号”火星着陆器与巡视器（火星车）等比例模型。