剛剛，天問一號成功被火星捕獲！火星，中國來了

鍋蓋被吸住了打不開怎麼辦

智東西（公眾號：zhidxcom）

作者 | 信儀

編輯 | 漠影

智東西2月10日訊息，剛剛，也就是在中國農曆臘月二十九，北京時間19時52分，

中國首次火星探測任務天問一號探測器實施近火捕獲制動任務成功！

國家航天局熱烈祝賀首次火星探測任務天問一號環繞火星成功 來源：央視新聞客戶端

天問一號環繞器3000N軌控發動機點火約15分鐘，探測器順利進入近火點高度約400千米，週期約10個地球日，傾角約10度的大橢圓環火軌道，

成為我國第一顆人造火星衛星，實現“繞、著、巡”第一步“繞”的目標。

這意味著我國首次火星探測任務在實施近火制動環節，探測器成功“剎車”並被火星捕獲，進入環火軌道，開啟環繞火星之旅，對火星的地形及著陸點進行勘測。

首次火星探測任務由地火轉移階段進入火星捕獲階段後，天問一號環繞器攜帶的

中解析度相機、高解析度相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀

等載荷將陸續開始工作，

對火星開展多維度探測

。

抵達火星時，探測器距離地球約為1。92億千米，實際飛行路程約4。75億千米。

動畫模擬天問一號探測器近火制動

天問一號環繞火星的過程大約將持續3個月的時間，

預計於2021年5月中旬擇機實施登陸任務，著陸火星表面

。至此，

中國將成為第六個到達火星的國家。

此外，2020“火星三傑”中，

阿聯酋“希望號”火星探測任務團隊在北京時間今天凌晨零點左右公佈，“希望號”進入環火軌道，抵達目的地。

希望號是一個軌道探測器，主要任務是研究火星的大氣和氣候，後續沒有登入任務。

確認“希望號”已成功進火星軌道後，阿聯酋航空火星任務管理人員歡呼

除天問一號外，同樣搭載火星車的

美國“毅力號”探測器也將於2021年2月18日抵達火星，並即刻衝向火星表面

。如果火星車能成功著陸，探測器將在一個乾涸的火山口湖和河床中尋找滅絕生命的跡象。但在此之前，毅力號還將部署一架名為“機智號（Ingenuity）”的微型直升機，讓它在稀薄的火星大氣中嘗試飛行，完成它自己的使命。

天問“問天”的旅程已行駛大半，為何這次近火“剎車”如此重要？從發射到抵達火星周邊，6個半月的時間天問一號又經歷了怎樣的過程？我國探索火星有什麼意義？讓我們跟隨文章一文看盡。

一、連續減速，對天問進行“自控力”考驗

天問一號探測器從地球出發到火星執行任務需要經歷6個飛行階段，其中包括

發射段、地火轉移段、火星捕獲段、火星停泊段、離軌著陸段和科學探測段

。

天問一號執行任務6個飛行階段

2020年7月23日，長征五號遙四運載火箭攜天問一號在中國文昌航天發射場發射。飛行2177秒後，天問一號進入地火轉移軌道，太陽翼展開，進行對日定向。

太陽翼展開，進行對日定向

如今，它成功進入了下一個飛行階段，也就是火星捕獲段，這意味著天問一號探索火星的任務真正拉開序幕。

這個階段是控制天問一號的關鍵節點。

在太陽系中，地球、火星都繞著太陽公轉，天問一號從地球出發去往火星，就要邊往前飛，邊向外靠攏。等天問一號抵達火星軌道時，火星剛好公轉到同一地方，探測器就要準備被火星引力吸引。

天問一號繞軌抵達火星概念圖

天問一號會在這個視窗期僅有30分鐘的階段，持續點火約15分鐘，以使其從第二宇宙速度11。2千米/秒減速制動。

更難的是，降速必須小於火星逃逸速度，也就是5。027千米/秒；同時必須達到環繞速度，也就是3。55千米/秒。

如果速度過慢，火星無法吸住天問，探測器則會飛出天際；速度過快，探測器則會一頭扎到火星上。這關鍵的“一腳剎車”，直接關係到我國火星探測任務能否成功。

除此之外，在這段時間中，探測器按照軌道會飛到火星背面，地球無法與天問一號取得聯絡，這也大大增加了控制天問一號的難度。等到

地球上的航天工作者再次接收到探測器的訊號，傳遞天問一號成功進入火星軌道的訊息，這一難關才算度過

。

環繞火星一段時間後，天問一號的著陸器和巡視器結合體將與軌道器分離，重進火星大氣。

如何確保著陸器和巡視器安全減速，完好無損地著陸在火星表面是另一個關鍵的問題

。我國計劃使天問一號透過

氣動減速段、傘降減速段、動力減速段、著陸緩衝段四個階段

逐步減速，以安全到達火星表面。

火星探測路線 來源：中國的航天

火星大氣的密度只有地球的1%，探測器完成軌道姿態調整後，進入火星大氣層時會經歷

“恐怖7分鐘”

。在短短7分鐘的時間裡，探測器的時速要從4。8千米/秒降低到0，而且還要調整好角度以避免外殼被大氣層過渡加熱而燒燬。

降落段約持續7~8分鐘

最難的是，

地球控制中心對整個著陸過程完全無法把控，天問一號要完全靠著陸器自主識別著陸點，自己規劃整個過程，這也是對天問一號AI系統的一次檢驗。

順利著陸後，天問一號將釋放出火星車，對火星進行著陸探測和巡視探測。

天問一號火星車地面測試

目前，人類研發出了三種方式進行火星軟著陸，分別為

氣囊彈跳式、反推著陸腿式、空中起重機式

。這三種方式各有利弊，我國的天問一號選擇的

反推著陸腿式，這一

方式複雜，成本也較高，需要降落傘減速後反推發動機點火，使探測器再次減速，並在著陸前進行自主懸停避障，但這種方法能滿足重量較大探測器的軟著陸要求，著陸精度也相對較高。

反推著陸腿式著陸

當然，人類也在探索新的著陸方式。據瞭解，NASA（美國航空航天局）就正在積極研製新型火星著陸裝置——低密度超聲減速器，以滿足更大質量探測器的著陸減速要求。

二、發射到近火制動6個半月，天問一號經歷了什麼？

將視線拉回到6個半月前，不少人聚集在中國文昌航天發射場不遠處，舉起手機或相機記錄下了長征五號火箭將“天問一號”火星探測器送上天空的歷史性一刻。

搭載天問一號的長征五號火箭發射

5天后，也就是2020年7月27日，天問一號探測器在飛離地球約120萬公里處回望地球，利用光學導航敏感器對地球、月球成像，獲取了清晰的地月合影。此時，探測器已脫離地球引力影響範圍，進入行星轉移軌道。

天問一號獲取清晰地月合影

為確保天問一號在預定時間準確與火星交會，在地火轉移段，探測器需要進行4~5次中途修正和1次深空機動。

2020年8月2日、9月21日、10月28日，2021年2月5日，天問一號累計

完成了四次軌道中途修正

。2020年10月9日，天問一號探測器主發動機點火工作480餘秒，

順利完成深空機動

。

中途修正是指在探測器飛行過程中，對各種原因導致的軌道偏離進行修正，使探測器更貼近理論軌道飛行。深空機動是運載火箭入軌彈道和地火轉移軌道聯合最佳化的結果，能夠提升運載的發射能力、增加探測器的發射質量，使探測器可以攜帶更多的推進劑，更好地完成探測任務。

探測器深空機動軌道示意圖

由於實際飛行情況極其複雜，理論軌道是不可能完全實現的，必須經過軌道修正和深空機動儘量逼近。

其中，火箭推力對入軌精度的影響，太陽系內各種天體及其引力的影響，以及軌道修正及深空機動本身的誤差都會使實際軌道與理論軌道有所偏離。綜合看來，任何一個火星探測器都無法飛在一條理想的地火轉移軌道上，中途會根據探測器需要，施行深空機動和不同次數軌道修正。

2020年10月1日國慶節，天問一號將一張與國旗“自拍”的圖片傳回地球。

這是我國探測器首次深空“自拍”，為祖國送上生日祝福。探測器上的五星紅旗，尺寸約為39×26釐米，略小於一張A3紙，重約144克，圖案採用特殊材料和工藝噴塗。

天問一號與國旗“自拍”圖片

探測器飛行影象由其攜帶的分離測量感測器拍攝，利用探測器自身兩側安裝的兩個廣角攝像頭，每秒拍攝一張影象，用過Wi-Fi通訊方式將影象傳送給探測器，再由探測器轉發給地面站。

在2021年2月5日，國家航天局公佈了天問一號拍攝的首幅火星圖，這是探測器在距離火星約220萬公里處獲取的。由於黑白照片細節清晰、質感強等物理優勢，太空照片大多都以黑白拍攝，卻鮮少有國家像我國一樣直接公佈黑白照片。後續，天問一號拍攝的火星被進行後期上色，我們才能看到既生動又清晰的紅色星球圖片。

天問一號拍攝的首幅火星圖及上色後圖片

圖中，

火星阿茜達利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑，以及最長的峽谷——水手谷等標誌性地貌清晰可見

。

天問一號拍攝的首幅火星圖細節

北京大學地球與空間科學學院教授焦維新先生解讀說，

阿茜達利亞平原

是火星上一個較大的平原，

不少人關心的“火星臉”就盛產於這個平原內的賽東尼亞區

，科學家一直在爭論這個平原及其北部低地還有其他地方是否存在火星古代的海洋。

“火星臉”

在阿茜達利亞平原南部緊挨著的是

克律塞平原

，希臘語譯為黃金平原。它的直徑約為1600米，地勢較低，

一般被認為是古代火星河流匯聚的地區

。

子午高原

位於火星赤道附近，且接近於火星上的本初子午線。美國的“機遇號”在這個地方發現了一些海水礦物，這些礦物是在有水的情況下才能形成的，也

成為了火星上可能有水的證明

。

基亞帕雷利坑

是一個相當大的隕石坑，直徑461千米，這個隕石坑顯示了很多火星可能有風、火山和水的證據。

在火星表面靠近赤道的地方，有一條很長的溝。

它是火星甚至太陽系內最大的峽谷——水手谷

。學界有一個基本觀點認為，這個峽谷是由於火星地殼張烈拉伸，陷落形成的，但這個峽谷確切的真實成因還無法確定。

“水手谷”

而我國天問一號的火星車選擇的著陸點為火星上最大的平原——

烏托邦平原

。烏托邦平原處於火星北半球，直徑達到3200千米，地勢相對平坦，天問一號選擇在此著陸相對安全。

“烏托邦平原”

此前，美國發射的“海盜2號”著陸器就是在這裡著陸的，當時“海盜2號”拍攝到了火星冬天有霜的照片，也拍攝到了火星上的日出。儘管照片是偽彩色的，但依舊可以看出火星大氣層的特點。

這次，天問一號火星車攜帶了

地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀、表面磁場探測儀、氣象測量儀6個儀器

，為火星車在火星表面進行巡視探測提供支援。

此外，為了適應火星地表的特殊環境，火星車還

具備環境感知、障礙識別、區域性路徑規劃及多輪運動協調控制等功能

，以保證其在長達至少一個火星年（687個地球日）的探索中安全執行。

三、繞落巡完成五大科學目標，深空探測站協助地火通訊

人類探測火星的方式與探測月球的方式基本類似，包括

環繞探測、著陸探測、巡視探測、取樣返回探測和載人登陸探測

這五種。

其中，採用環繞探測方式可以對火星進行整體普查或全球偵測；採用著陸探測和巡視探測方式可以對火星進行區域性詳查；採用取樣返回探測和載人登陸探測方式可以對火星進行區域性精查。

這五種方式，在難度上循序漸進。而

此次中國的天問一號，將在火星實現“繞、落、巡”任務一步到位，這是美國、俄羅斯、前蘇聯都沒有做到的。

從1976年至今，人類探索火星已有近50年。儘管此前探火著陸任務的成功率只有47。1%，但依舊無法抵擋人們對探索這顆星球的渴望。

目前，在對這顆神秘紅色星球的探索中，人類主要關注5個方面的研究，分別為：

1、 火星大氣特徵和氣候變化研究；

2、 火星地形地貌和地質構造研究；

3、 包括火星磁場、重力場等在內的火星物理場和內部結構研究；

4、 火星上的水和生命資訊探測；

5、 在火星上建立科學觀測臺和實驗室，觀測火星上可能存在的資源。

火星表面河道（左一）、乾枯鹽湖（右一）形貌特徵

此次天問一號“繞、落、巡”三步走的科學目標具體來說也分為五個方面，分別為：

1、 繪製火星形態和地質結構圖；

2、 調查火星表面的土壤特徵和水冰分佈；

3、 分析火星表面的物質組成；

4、 測量電離層和火星地表氣候及環境特徵；

5、 探索火星的物理場（電磁場、引力場等）及內部結構。

天問一號是我國第一個火星探測器，

能幫助我國獲得火星立體影象、火星礦物質分佈和水源分佈等資訊

，為我國未來的火星探測指明方向。

此前別國軌道探測器上的淺層雷達探測的火星次表層水冰分佈

要完成這些任務，拍攝和通訊技術是非常重要的一環。

我國首次火星探測任務66米深空測控裝置總設計師杜丹說，此次“天問一號”的

環繞器上搭載了一個高解析度的拍攝裝置

，即使在遙遠的距離也可以獲得火星上平原、高地、峽谷等地形地貌的清晰影像。

此後，待天問一號被火星引力捕獲後，拍攝裝置還將用於環繞火星做地形地貌勘測、選擇著陸點等任務，透過照片留下探測依據。

杜丹稱，事實上，天問一號拍照，和我們用手機拍攝的原理相同，其特殊之處，在於多了一個相隔上億公里的傳輸。

星際探測器和地球之間可以透過兩種方式進行通訊，一是天問一號

直接連線

地球上的深空測控網完成資料收發，二是當火星車降落地表後，地球透過在軌飛行的天問一號探測器

中轉訊號

，完成與火星之間的通訊。

中繼通訊段

深空測控網就像在地球上建立了若干Wi-Fi熱點，而如此遠距離的傳輸，則需要歸功於深空站。當前，中國深空測控網位於中國的佳木斯和喀什深空站，和位於南美洲阿根廷的內烏肯深空站組成。

此次主要使用的

黑龍江佳木斯的深空測控站

有一副直徑66米的天線，形似大鍋蓋，是一個作用距離極遠的“遙控器”，可以利用10kw功放將地面的指令傳送到遙遠的距離，實現對日定向、探測器變軌、姿態調整、發動機點火等動作，確保探測器沿正確的軌道飛行以及巡視器最終順利軟著陸。

佳木斯深空站66米測控裝置

同時，這個深空測控站還有高靈敏度的接收能力，可以時刻調整角度，負責在外太空噪聲中尋找、捕獲探測器訊號，建立起探測器到地球之間的通訊鏈路，獲得探測器供電、溫度、開關等工作狀態及載荷引數和科學試驗資料。

而由於行星之間資料傳輸“道路狹窄”，要想傳輸高質量影象往往需要大量資料幀，

傳輸過程有時甚至會超過10分鐘

。為避免誤碼或資料丟失等情況發生，科學家們也採用編譯碼和糾錯的方式，確保影象的正確傳輸。

所以除了專用的深空探測站外，中國科學家還準備了諸如北京密雲、天津武清等天線站，大家一起組陣接收訊號，為中國的火星探測任務保駕護航。

在陪伴天問“問天”的旅程中，“民以食為天”的國人像“嫦娥五號奔月挖土”時一樣，再次問出了“火星上能種菜嗎”的實在問題。

央視曾報道，經過科學家對月壤的研究發現，月壤中不含有任何有機養分，不能種菜，而火星是否能“種土豆、白菜”的問題，或許需要下次探火獲取“火壤”時才有答案。

結語：天問“問天”

從2020年7月到2021年除夕前夕，半年多的時間，天問一號走過了近5億千米的路程，只為奔向那個神秘的紅色星球——火星。

天問探火

作為中國第一個即將登上火星的探測器，“天問一號”及其所攜火星車的名字都是由徵集投票決定的。2021年1月20日，中國首輛火星車命名開啟網路投票，網民們將在前期選出的

“弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、風火輪、追夢、天行、星火”

十個名字中投票選出火星車的名字，2021年3月2日投票截止，我國第一個火星車的名字將很快面世。

天問還在路上，我們期待它親密接觸火星的一刻，也相信它能出色完成後續的任務。

參考資料：央視網、中國探月工程、中國的航天等