8月25日22時(shí)45分，我國(guó)首次火星探測(cè)“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器已在茫茫太空中飛行了1月余，距離地球超1000萬(wàn)公里，刷新了中國(guó)航天深空探測(cè)里程的新紀(jì)錄。“天問(wèn)一號(hào)”的火星之旅還很長(zhǎng)，它還將面臨哪些風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，科研人員都有哪些保障技術(shù)和措施?近日，航天領(lǐng)域相關(guān)專家和研制單位接受了本報(bào)記者采訪，對(duì)“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器的奔火旅程進(jìn)行了詳細(xì)解讀。

踩準(zhǔn)26個(gè)月一遇的“探火窗口”

火星是太陽(yáng)系中與地球最為相似的行星，它的一天是24.6小時(shí)，也有四季變化，有大氣。雖然火星表面平均氣溫只有零下63度，但夏天陽(yáng)光直射的區(qū)域，氣溫能夠上升到20攝氏度，尤其是在火星赤道，極端溫度可以達(dá)到30攝氏度。正因?yàn)榛鹦巧系沫h(huán)境接近地球，這也為人類移民火星創(chuàng)造了條件，所以火星是目前人類除地球以外研究程度最高的一個(gè)行星。用空間探測(cè)器探測(cè)火星，幾乎貫穿整個(gè)人類的航天史。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器升空前后，阿聯(lián)酋和美國(guó)也發(fā)射了各自的火星探測(cè)器。為何大家都紛紛趕著7月下旬到8月上旬這個(gè)時(shí)間點(diǎn)呢?航天科普專家龐之浩告訴記者，因?yàn)檫@是26個(gè)月才輪到一次的“探火窗口”時(shí)間。

龐之浩介紹，地球和火星都圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，這好比它們?cè)谔飶綀?chǎng)“賽跑”。地球在里圈，跑得快，365天跑一圈;火星在外圈，跑得慢，687天跑一圈。地球和火星在各自“奔跑”時(shí)，最近相距5500萬(wàn)公里，最遠(yuǎn)相距可達(dá)4億公里。距離相差如此懸殊，人類肯定要在兩位“鄰居”相近的時(shí)候送出探測(cè)器，以節(jié)省燃料。這個(gè)“最近”時(shí)間點(diǎn)，每26個(gè)月才會(huì)輪到一次。

不過(guò)，這個(gè)“最近”時(shí)間點(diǎn)是在今年九十月份。那大家為何選擇在七八月份發(fā)射探測(cè)器呢?龐之浩說(shuō)，這也是因?yàn)榛鹦呛偷厍蛟趦?nèi)外圈“跑步”的關(guān)系。如果探測(cè)器在兩顆行星最近的時(shí)候升空，地球比火星“跑得”快，探測(cè)器升空后不久就跑到火星前面去了，無(wú)法與火星就近相會(huì)。

因此必須要巧妙利用地球和火星的公轉(zhuǎn)位置，提前設(shè)計(jì)探測(cè)器的發(fā)射軌道。當(dāng)火星位于地球前方約44°時(shí)，人類發(fā)射探測(cè)器，探測(cè)器可以充分利用地球的公轉(zhuǎn)“跑步”速度，追上火星，然后被火星引力捕獲，最終抵達(dá)目的地。這條神奇的軌道被稱為霍曼軌道。按照霍曼軌道的運(yùn)行規(guī)律，探測(cè)器七八月份升空，這樣正好可以趕上九十月份地火距離最近時(shí)“偶遇”火星。

“探火之旅”后續(xù)七大難關(guān)步步驚心

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院介紹，國(guó)際上對(duì)于火星的探測(cè)，起步于20世紀(jì)60年代，截至今年6月底共發(fā)射了44個(gè)火星探測(cè)器，但任務(wù)成功概率只有50%左右。

龐之浩說(shuō)，成功實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)，需要渡過(guò)八大難關(guān)。目前“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器已經(jīng)順利渡過(guò)第一道“發(fā)射”難關(guān)，接下來(lái)還有七道關(guān)口，可謂是步步驚心。

■通信難關(guān) 目前“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器已距離地球1000多萬(wàn)公里，并且依然在以每天約30萬(wàn)公里的速度遠(yuǎn)離地球，信號(hào)強(qiáng)度與距離的平方成反比，這意味著，未來(lái)傳回地球的探測(cè)器信號(hào)將越發(fā)微弱，過(guò)去很多探測(cè)器就因此失聯(lián)了。

■控制難關(guān) 由于探測(cè)器距離地球遙遠(yuǎn)，測(cè)控信號(hào)延時(shí)將越來(lái)越長(zhǎng)。到最后著陸階段，地火之間的信號(hào)傳輸將長(zhǎng)達(dá)20多分鐘。這需要探測(cè)器有很強(qiáng)的自主工作性能，不能什么都靠地球團(tuán)隊(duì)來(lái)遙控。尤其體現(xiàn)在變軌、姿態(tài)調(diào)整方面，需要根據(jù)提前注入的數(shù)據(jù)自主開(kāi)展變軌，因?yàn)槊棵?米的延時(shí)誤差，到火星附近就會(huì)產(chǎn)生10公里左右的位置誤差，“差之毫厘”就有可能“謬以千里”。

■能源難關(guān)“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器離地球越來(lái)越遠(yuǎn)，離太陽(yáng)也越來(lái)越遠(yuǎn)，受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大大減弱，這就要求探測(cè)器的太陽(yáng)能電池陣較大，且有很高的光電轉(zhuǎn)化效率，來(lái)提供足夠的能源。

■環(huán)境難關(guān) 火星探測(cè)器暴露在宇宙環(huán)境中，受損風(fēng)險(xiǎn)大增。因此“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器在飛行中需要提前規(guī)劃路線，避開(kāi)太陽(yáng)風(fēng)暴強(qiáng)的時(shí)候，同時(shí)采用防輻射的器件和輻射屏蔽措施。

■入軌難關(guān) 探測(cè)器在切入火星軌道過(guò)程中，要選擇適當(dāng)?shù)那腥刖嚯x，以便被火星引力捕獲。探測(cè)器進(jìn)入火星軌道時(shí)“剎車”的力度大小、時(shí)間早晚、進(jìn)入角度都會(huì)影響引力捕獲的效果。稍有不慎，探測(cè)器就會(huì)“滑出”火星軌道，或撞到火星上。

■著陸難關(guān) 火星大氣稀薄，高速著陸的探測(cè)器要經(jīng)歷恐怖的7分鐘，稍有不慎就會(huì)被燒毀或者摔毀。比如2016年發(fā)射的歐洲火星探測(cè)器，由于發(fā)動(dòng)機(jī)提前1秒鐘關(guān)機(jī)，最后“硬著陸”拍在了火星表面上。龐之浩說(shuō)，有人稱在火星著陸的難度，相當(dāng)于從巴黎打一個(gè)高爾夫球，正好落在東京的某個(gè)洞里，這毫不夸張。

■工作難關(guān) 探測(cè)器著陸以后也不是萬(wàn)事大吉?；鹦黔h(huán)境復(fù)雜惡劣，尤其是沙塵暴非常厲害，風(fēng)力可達(dá)地球12級(jí)臺(tái)風(fēng)的6倍，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月到半年，沙塵遮天蔽日，對(duì)探測(cè)器殺傷力極大。另外火星的溫度比較低，對(duì)探測(cè)器的著陸器、火星車的溫控系統(tǒng)也是巨大的考驗(yàn)。

多次軌道修正確保萬(wàn)無(wú)一失

截至8月25日22時(shí)45分，“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器距離地球突破1000萬(wàn)公里，探測(cè)器飛行正常。在地面，一大批科研人員全力以赴，保障“天問(wèn)”順利奔向火星。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)探測(cè)器的火星之旅主要包括6個(gè)飛行階段：發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、火星停泊段、離軌著陸段和科學(xué)探測(cè)段。目前探測(cè)器處于地火轉(zhuǎn)移段，需要飛行大約6.5個(gè)月。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院火星探測(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖在接受媒體采訪時(shí)表示，團(tuán)隊(duì)一直在密切關(guān)注探測(cè)器的健康狀況，會(huì)定期對(duì)其進(jìn)行健康檢查。

記者了解到，為確保“天問(wèn)一號(hào)”在預(yù)定時(shí)間準(zhǔn)確與火星交會(huì)，探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移段需要4至5次軌道中途修正和1次深空機(jī)動(dòng)。8月2日，“天問(wèn)一號(hào)”完成第一次中途修正，后續(xù)擬于9月份進(jìn)行第二次軌道修正。尤其是深空機(jī)動(dòng)，是一個(gè)控制量較大的軌控動(dòng)作。深空機(jī)動(dòng)后探測(cè)器才算在真正意義上飛向火星，因此更為重要，難度也更大。

當(dāng)“天問(wèn)一號(hào)”經(jīng)歷億萬(wàn)公里長(zhǎng)途跋涉來(lái)到火星時(shí)，它還將經(jīng)歷著陸階段“恐怖7分鐘”的考驗(yàn)：探測(cè)器高速進(jìn)入時(shí)，會(huì)與大氣層劇烈摩擦，使得表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣。如果不進(jìn)行有效防護(hù)，探測(cè)器將燒毀在大氣層中。

為此，中國(guó)航天科技集團(tuán)一院航天材料及工藝研究所的專家們研制出3種高科技材料，它們將協(xié)同“作戰(zhàn)”，盡全力守護(hù)探測(cè)器安全著陸火星。

探測(cè)器的著陸方式和地點(diǎn)也有講究。國(guó)家航天局中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)新聞發(fā)言人劉彤杰之前就曾表示，“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器明年2月份左右到達(dá)火星的時(shí)候，不會(huì)直接降落火星表面，而是會(huì)進(jìn)行將近兩個(gè)半月的環(huán)繞飛行，對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行初步探查，在氣候條件好的時(shí)候再實(shí)施著陸。因?yàn)榛鹦潜卑肭蚱皆鄬?duì)更多一些，所以“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星探測(cè)器選擇落在北半球的烏托邦平原。

路其漫漫，積跬致遠(yuǎn)。“天問(wèn)一號(hào)”正懷著夢(mèng)想與期待，在茫茫宇宙中一往無(wú)前，奔向神秘的紅色星球——火星!