天问将如何问天？揭秘中国首次火星探测任务

我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”。任务将如何开展？“黑色七分钟”怎么回事？欧阳自远院士带你揭秘背后那些事儿。

4月24日是第五个“中国航天日”，国家航天局正式对外发布中国首次火星探测任务名称和任务标识。中国行星探测任务被命名为“天问（Tianwen）系列”，本次火星探测任务被命名为“天问一号”。

中国首次火星探测任务标识（图片来自中国航天网）

国家航天局公布的中国火星车概念图（图片来自中国航天网）

这条消息的发布，让众多担心新冠疫情会影响中国火星计划实施的航天迷们吃了一颗定心丸。因为2020年是发射火星探测器的“最佳窗口期”，如果错过，还要再等两年零两个月！

“天问一号”火星探测任务是我国继“嫦娥系列”月球探测任务后的又一大航天探测工程。

一次性完成“绕、落、巡”三大任务

中国行星探测任务“天问（Tianwen）系列”的名称源于屈原长诗《天问》，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。

根据中国国家航天局的消息，与“嫦娥系列”月球探测任务不同，我国计划通过长征五号火箭发射“天问一号”探测器，它由一架轨道飞行器和一辆火星车构成。按照计划，“天问一号”火星探测任务要一次性完成“绕、落、巡”三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

“天问一号”是中国向一个更加雄心勃勃的项目迈出的第一步。该火星探测项目还包含将在2028年升空的两个探测器。一个负责采集土样，另一个负责转移土样并将其运回地球。

按照设计，火星探测器的轨道器和着陆器最开始作为一个整体被发射到深空。在星箭分离以后，火星探测器将在火星探测工程技术人员的控制下，相继展开太阳能帆板、开启定向天线，并实施发动机点火开始奔赴火星。

火星探测任务四年前已立项

中国要探测火星的消息并不是很突然，在中国的月球探测工程不断取得突破以后，火星探测计划也就顺理成章地被列入了行动日程。

2016年1月，中国自主火星探测任务已经得到国家批准立项，将通过一次发射任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。如果一切顺利，计划于2020年7-8月间择机发射，2021年登陆火星。

尽管自己年事已高，但是多年来，中国科学院院士欧阳自远依旧将推动中国的火星探测当成他的重要使命。对他而言，除了期待中国人自己的载人登月工程，将中国的探测器甚至是航天员送上火星也是他的梦想。

欧阳自远对记者表示，火星探测的科学问题主要有三个方面：其一是探测火星上的生命活动信息，期待在此领域有所突破，其主要包括火星上现在生命的信息、过去是否存在过生命、火星生命生存的条件和环境等；其二是火星本体科学的研究，为研究火星积累资料，主要包括火星磁层、电离层与大气层的探测与环境科学，火星地形地貌特征与分区，火星表面物质组成与分布、地质特征与构造区划，火星内部结构、成分、内禀磁场探测等；其三是探讨火星的长期改造与今后大量移民建立人类第二个栖息地的前景，为人类社会的持续发展服务。

“火星表面有很多古河床，这证明火星以前是有河流的，并且火星的北部还曾经是一个大海洋。然而，现在火星表面一滴水都没有，火星表面的盐湖干了以后也只剩下了盐。”欧阳自远表示，中国要探明整个火星地下水的分布。

火星有水证据（供图：欧阳自远）

火星表面的海洋（供图：欧阳自远）

根据欧阳自远院士等科学家的披露，我国2020年计划实施的火星探测任务的科学目标是：通过环绕探测，开展火星全球性和综合性的探测；通过巡视探测，开展火星表面重点地区高精度、高分辨率的精细探测。

这些探测器为何都会选择在窗口期发射？这是因为地球和火星都是运动的天体，从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射，而是每隔两年零两个月（大约780天）才有一次发射机会，这样的发射机会被称为发射窗口。也就是说，火星探测器的发射窗口每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天，太阳、地球、火星就会排列成一条直线，此时正是发射火星探测器的好机会。

“丢了这个机会，对不起，两年零两个月以后才能再发射一次，否则到不了火星。”欧阳自远表示，地球绕着太阳转一圈是365天，而火星绕着太阳转一圈大概是687天。有时候地球在太阳的这边，而火星在太阳的那边，你根本到不了火星。所以一定要赶上某一个关键的时候在地球上发射探测器才可以。

火星探测器着陆或为反推着陆腿式

火星探测器从火星大气层外缘通过软着陆的方式降至火星表面，是关系到火星探测是否能够成功十分关键的环节，整个着陆技术十分复杂，每个环节都需要做到万无一失，否则就会导致着陆失败。目前探测器在火星上软着陆的方式主要有三种：

其一是气囊弹跳式，这种方式相对简单，成本也低，但是只能满足小重量探测器软着陆的要求，着陆精度也不高，已有的代表是“勇气”号和“机遇”号，采用了降落伞+气囊弹跳方式。

第二种是反推着陆腿式，这种着陆方式较为复杂，成本高，但是可以满足重量较大的探测器软着陆的要求，着陆精度较高，代表是“洞察”号、“猎犬2”号火星着陆器等，采用了降落伞+缓冲发动机+着陆腿的方式。

第三种是空中起重机式，这种方式最为复杂，成本最高，技术也最先进，可满足重量更大的探测器软着陆的要求，能够精确着陆。携带“好奇”号火星车的美国“火星科学实验室”，就采用了降落伞+缓冲发动机+空中起重机的方式。

2018年，在北京举行的“十一五”国家重大科技成就展上，由中国空间技术研究院自主设计的火星探测器模型首次曝光，本次亮相的火星探测器模型包括一个轨道器和一个着陆器，它们是和未来准备设计的真实火星探测器按1：3的比例出现在公众面前的。在未来探测火星的过程中，这种轨道器和着陆器将同时被发射去探测火星。

当时设计的火星着陆器带着一串气囊，技术人员介绍，这主要是用于将来在火星着陆使用的。这意味着将来登陆火星时，中国将采用气囊弹跳式登陆火星。

不过根据欧阳自远最新披露的信息，我国的火星着陆方案又有了部分新的变化，反推着陆腿式将会成为选择的方案。

中国火星探测任务示意图（供图：欧阳自远）

在这种方案中，火星探测器在器箭分离以后经过大约7个月的飞行被火星捕获，而后环绕器环绕火星飞行，在与着陆器分离后环绕器开始对火星进行全球环绕探测，而着陆器进入火星大气后通过调校、降落伞减速和缓冲发动机反推减速实施反推着陆腿式着陆，而后释放出火星车，并开始执行在火星表面的探测任务。和以前的着陆器探测任务设计相比，现在的方案多了一个可以四处移动的火星车。

火星探测要经历“黑色七分钟”

这并不是中国第一次迈出火星探测的征程。2011年11月9日，俄罗斯福布斯-土壤火星探测器携中方研制的首颗火星探测器“萤火一号”，在哈萨克斯坦拜克努尔航天中心发射升空，进入近地椭圆转移轨道。但由于诸多原因，上面级主发动机未起动，导致最后星沉大海，探测任务未完成。

中国首颗火星探测器“萤火一号”未能完成火星探测任务（图片来自网络）

此前，中国还曾经计划使用“嫦娥一号”的备份星“嫦娥二号”。欧阳自远院士披露，“嫦娥二号”原本是要飞往火星的，但飞往火星太远了，当时中国的测控能力不行。因为到月球是40万公里，而到火星是4亿公里。最后才决定让“嫦娥二号”继续实施探月工程，火星探测只能再等待合适的机会。

经过更为细致的工作和耐心的等待，中国即将迎来2020年的火星发射时间窗口。但中国的火星探测依旧要克服一系列的挑战。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩研究员表示，譬如火星轨道捕获探测器的控制技术尤为重要，如果这一工作出现失误，探测器要么与火星擦肩，要么直接撞上火星，从而导致整个火星探测工程的失败。因此，火星轨道捕获火星探测器的过程对于中国未来的火星探测而言是一个至关重要的关口。

在火星探测器成功被火星轨道捕获以后，探测器将进入到环绕火星运行的大椭圆轨道。此后，火星探测器的轨道器与着陆器将会择机分离，轨道器而后会运行在火星轨道上，进行为期至少一年的工作，进行火星重点区域的拍摄、火星环境监测等一系列的探测内容。而着陆器在点火与轨道器分离后，就开始实施火星登陆的过程。

国家天文台研究员郑永春认为，轨道器飞行在火星大气层之外，技术相对容易一些。而如果是火星车或着陆器，则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面，这是当前火星探测中最关键的技术瓶颈。因为火星探测器从130多公里的高空进入火星大气，时速高达21000公里（每秒5.9公里），要在短短七分钟的时间内，让探测器的速度降至零，从而实现安全着陆。这是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻，被称为“黑色七分钟”。这对火星探测器的控制技术是一个非常大的挑战和考验。

中国的火星探测需要稳妥而行

我们也需要对我国实施的火星探测工程予以充分的信心。一个方面，在“863”计划重大项目的支持下，根据开展火星探测的技术路线，现在我国已完成了火星探测轨道设计、测控通信、自主导航、表面软着陆等关键技术的科研攻关，为我国开展自主火星探测奠定了技术基础。另外，通过嫦娥探月工程，中国在远距离的探测与控制技术方面也积累了丰富的经验。

2019年11月14日，我国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在位于河北省怀来县的地外天体着陆综合试验场圆满完成。此次试验是我国火星探测任务首次公开亮相，试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程，对其设计正确性进行了综合验证（图片来源网络）