鄭永春

天問(wèn)一號(hào)

在太陽(yáng)系中，火星與地球的環(huán)境最相似，是深空探測(cè)的重點(diǎn)。世界各國(guó)至今已開展了40多次火星探測(cè)任務(wù)?，F(xiàn)在，中國(guó)也加入了這個(gè)行列。2020年7月23日12時(shí)41分，中國(guó)在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器，正式開啟了中國(guó)行星探測(cè)計(jì)劃的漫漫征途。我有幸親眼目睹了火箭升空的那一刻，在疫情陰霾的籠罩下，這次成功來(lái)之不易。

“天問(wèn)”是2300年前我國(guó)浪漫主義詩(shī)人屈原寫的一首長(zhǎng)詩(shī)的題目，表達(dá)了中國(guó)人對(duì)天地萬(wàn)物和人類社會(huì)等自然現(xiàn)象的好奇，展現(xiàn)了中華民族不畏艱難、追求真理的決心和意志。“攬星九天”是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的標(biāo)識(shí)，也是中國(guó)行星探測(cè)計(jì)劃的整體標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)展現(xiàn)了八大行星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道，意味著中國(guó)不僅將探測(cè)火星，還將探測(cè)太陽(yáng)系的其他行星及其衛(wèi)星和小天體。天問(wèn)一號(hào)是中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的名稱。

中國(guó)火星探測(cè)工程是在探月工程六戰(zhàn)六捷的基礎(chǔ)上實(shí)施的，天問(wèn)一號(hào)繼承了我國(guó)月球探測(cè)時(shí)使用的一些成熟技術(shù)。比如，天問(wèn)一號(hào)在最后階段登陸火星時(shí)，采用了嫦娥三號(hào)火箭反推及4條著陸腿的方式。但月球探測(cè)和火星探測(cè)也有很大的不同。比如，月球上沒(méi)有大氣，登陸月球只靠發(fā)動(dòng)機(jī)反推就可以實(shí)現(xiàn)減速，但火星就不同了。登陸火星需要穿越大氣層，經(jīng)歷“黑色7分鐘”。首先，利用大氣提供的阻力，摩擦減速，就像流星劃過(guò)夜空;其次，打開降落傘，進(jìn)一步利用大氣阻力減速;最后，發(fā)動(dòng)機(jī)短暫工作，通過(guò)反推進(jìn)行減速。多種減速方式綜合使用，才能成功登陸火星。

在茫茫宇宙中飛行的火星探測(cè)器根據(jù)地球、太陽(yáng)、恒星的相對(duì)位置變化實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，確定自己所在的位置，精準(zhǔn)地瞄準(zhǔn)火星。登陸火星表面后，火星車在上下坡時(shí)，會(huì)通過(guò)觀察太陽(yáng)的方位，感應(yīng)重力的方向，以計(jì)算自己的姿態(tài)，評(píng)估安全性?；鹦擒囘€可以通過(guò)觀察火星表面的山峰和石塊等顯著標(biāo)志，確定行駛路線。

天問(wèn)一號(hào)發(fā)射之后，從地球所在的“三環(huán)”，飛向火星所在的“四環(huán)”，成為一顆環(huán)繞太陽(yáng)飛行的人造行星，在追逐火星的路上飛行。由于深空中沒(méi)有阻力，巡航期間的飛行不需要消耗燃料就能維持原有速度，實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力飛行。天問(wèn)一號(hào)安裝了推力分別為3000牛、120牛和25牛的各類發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是精確控制探測(cè)器的飛行姿態(tài)和方向，幫助它始終瞄準(zhǔn)火星，不偏離航線，最終成功抵達(dá)火星。一路上，這些發(fā)動(dòng)機(jī)一共要經(jīng)歷6次點(diǎn)火工作。

2020年8月2日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)行第1次軌道修正。在離地球超過(guò)300萬(wàn)千米的深空中，3000牛主發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)工作，歷時(shí)20秒，修正了天問(wèn)一號(hào)的飛行軌道，讓它精確地按照設(shè)計(jì)好的軌道飛行。

2020年9月20日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)行第2次軌道修正。在離地球約1900萬(wàn)千米的深空中，4臺(tái)推力為120牛的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，持續(xù)20秒。由于這次軌道修正的幅度很小，所以不需要主發(fā)動(dòng)機(jī)，用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

2020年10月9日23時(shí)，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)行第3次軌道修正。在離地球2940萬(wàn)千米中的深空中，推力為3000牛的主發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，持續(xù)工作8分鐘。這次軌道調(diào)整的結(jié)果，是把探測(cè)器所在的軌道，從地球所在的太陽(yáng)系“三環(huán)路”，轉(zhuǎn)移到火星所在的“四環(huán)路”上。

2021年春節(jié)前夕，天問(wèn)一號(hào)經(jīng)歷了關(guān)鍵一刻。2月10日，經(jīng)過(guò)半年多的長(zhǎng)途飛行，飛越4億多千米，天問(wèn)一號(hào)抵達(dá)火星。它與火星在太陽(yáng)系的“四環(huán)路”上相遇，3000牛的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一次時(shí)間更長(zhǎng)的點(diǎn)火工作，經(jīng)過(guò)剎車減速，被火星的引力捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。這次剎車更為重要，直接決定了火星探測(cè)任務(wù)的成敗。

在近火軌道，主發(fā)動(dòng)機(jī)還將再次點(diǎn)火，調(diào)整飛行軌道，為登陸火星作好準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)軌道調(diào)整，天問(wèn)一號(hào)計(jì)劃于5月登陸火星，中國(guó)將由此成為世界上第2個(gè)實(shí)現(xiàn)航天器成功登陸火星的國(guó)家。

地球上的地面站與探測(cè)器之間的通信，是通過(guò)無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)的，其傳播速度為光速，每秒30萬(wàn)千米。月球到地球的平均距離約為38萬(wàn)千米，所以，月球探測(cè)器與地球通信幾乎沒(méi)有延時(shí)，我們可以在地球上實(shí)時(shí)控制月球探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)。不同的是，地球到火星之間的距離是變化的，距離最近的時(shí)候約為5500萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)的時(shí)候，也就是火星與地球分別位于太陽(yáng)的兩側(cè)時(shí)，二者之間的距離達(dá)4億千米。這就像兩位運(yùn)動(dòng)員在相鄰的賽道上繞著運(yùn)動(dòng)場(chǎng)跑步，兩人之間的距離有時(shí)只相當(dāng)于跑道的寬度，有時(shí)卻相當(dāng)于整個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的直徑。因此，地面與火星探測(cè)器的通信，面臨著長(zhǎng)達(dá)十幾分鐘的延時(shí)，這對(duì)火星探測(cè)的影響很大。也就是說(shuō)，地球上無(wú)法隨時(shí)控制火星探測(cè)器。

從地球發(fā)出的指令，到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間最長(zhǎng)需要22分鐘。如果要求探測(cè)器在特定時(shí)間執(zhí)行命令，地面就要提前發(fā)出指令。探測(cè)器收到指令后，才能在規(guī)定的時(shí)間執(zhí)行。天問(wèn)一號(hào)抵達(dá)火星時(shí)，無(wú)論探測(cè)器出現(xiàn)什么意外情況，地面都要在十幾到二十幾分鐘之后才能知道。地面經(jīng)過(guò)研究之后，形成探測(cè)器的應(yīng)對(duì)方案，生成處置命令發(fā)給探測(cè)器。再十幾到二十幾分鐘后，探測(cè)器才能收到這個(gè)命令。半個(gè)多小時(shí)到四十多分鐘后，地面才能知道探測(cè)器執(zhí)行的指令是否有效。

由于地面站與火星探測(cè)器之間的通信時(shí)間延遲太長(zhǎng)，天問(wèn)一號(hào)在大部分情況下是按照既定的程序工作的。同時(shí)，它還必須具備一定的自主處置能力。遇到簡(jiǎn)單問(wèn)題時(shí)，進(jìn)入故障分支，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的方案自行解決。遇到自己不能解決的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，探測(cè)器會(huì)進(jìn)入安全模式，把不必要的設(shè)備關(guān)閉，然后等待地面指令。地面控制中心收到探測(cè)器的故障情況，會(huì)根據(jù)故障預(yù)案進(jìn)行處置。如果遇到特別復(fù)雜的情況，還需要在地面模擬出現(xiàn)的故障，看看處置辦法是否有效，研究后再進(jìn)行處理。