成功！天問一號成功抵達(dá)火星！看這篇就夠了

三大任務(wù)：繞落巡

天問一號將是我國自主發(fā)射的第一顆火星任務(wù)（遺憾失敗的螢火一號是借俄羅斯火箭發(fā)射的），不同于之前“輕騎兵”模式的螢火一號，天問一號將是絕對的重磅出擊——利用1次發(fā)射完成“環(huán)繞”、“著陸”、“巡視”火星這3大任務(wù)，也就是所謂的“繞落巡”。

央視新聞

環(huán)繞通常通過環(huán)繞器（軌道器）來完成，例如目前在軌的NASA火星勘測軌道飛行器（MRO），就在一圈一圈環(huán)繞著火星的過程中展開各項探測。而中國的天問一號也會包含1個環(huán)繞器，完成至少1年的環(huán)火星探測。

NASA MRO軌道器（左）和中國天問一號軌道器（右）示意圖 ，來源：NASA、CNSA

稍提一句，其實著陸任務(wù)也可以根據(jù)需要先環(huán)繞飛行一段時間，然后選擇合適的時機著陸，例如中國的嫦娥三號、四號著陸任務(wù)雖沒有攜帶軌道器，但著陸器帶著月球車在著陸月球之前也環(huán)繞了月球數(shù)圈。

著陸可以通過著陸器或者巡視器來完成，兩者的主要區(qū)別就是著陸器不能動，而巡視器可以自由移動。我們熟悉的嫦娥三號著陸器+玉兔號月球車，嫦娥四號+玉兔二號月球車，就是著陸器+巡視器組合。

2019年1月11日，嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車兩器互拍。來源：中國探月工程

也就是說，著陸器只可以完成著陸，而巡視器則可以完成著陸+巡視兩項任務(wù)。

而本次天問一號則將通過一個著陸巡視組合體來完成著陸和巡視兩項任務(wù)。著陸巡視組合體包含進入艙（著陸架）和火星車兩部分，進入艙負(fù)責(zé)著陸，而火星車負(fù)責(zé)科學(xué)探測。

著陸巡視組合體的工作過程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測。（啥？為啥噴火是藍(lán)色的？不要在意這些細(xì)節(jié)???）

測控和數(shù)傳：4億公里外的訊息傳遞

火星最遠(yuǎn)時距離地球4億公里，是地月距離的1000倍。從這個角度來說，月球簡直可以說是“近在咫尺”。

而距離越遠(yuǎn)，不僅信號傳輸時間越長，更重要的是信號衰減也越劇烈。相比于月球，遙遠(yuǎn)的火星顯然為地球與探測器之間的通訊帶來了更大的挑戰(zhàn)。

與火箭和探測器保持通訊，或者說“測控和數(shù)傳”，可以拆分為三個方面的問題：1）跟蹤（火箭、探測器的）位置和速度；2）向探測器發(fā)送指令；3）接收探測器傳回的探測數(shù)據(jù)。

而這三個方面都需要強大的地面站，或者說數(shù)目更多、分布更廣、口徑更大的地面天線，這不是一朝一夕可以完成的。

事實上，中國從嫦娥任務(wù)開始就已經(jīng)在一步一個腳印地組建深空測控和地面接收網(wǎng)了。

2011年，佳木斯66米和喀什35米天線基本建成, 同年11月就投入了嫦娥二號任務(wù)飛掠小行星圖塔蒂斯等后續(xù)拓展任務(wù)的S頻段測控支持，之后最遠(yuǎn)跟蹤嫦娥二號至約1億公里才失聯(lián)。

佳木斯深空站(北緯46°2937, 東經(jīng)130°4612)66米天線和喀什深空站(北緯38°2634.7, 東經(jīng)76°4340.3)35米天線

2013年，佳木斯深空站和喀什深空站正式建成并投入使用，同年12月正式加入嫦娥三號任務(wù)的測控工作，首次利用X頻段完成了嫦娥三號地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月、動力下降和月面工作各階段的測控工作。兩處測控站至今仍在為嫦娥三號著陸器提供各項測控支持。

沒想到吧，雖然玉兔號早已停止工作，但嫦娥三號依然堅挺。2019年12月7日，嫦娥三號著陸器成功喚醒，開啟了第75個月晝的工作

2017年底，阿根廷35米天線深空站建成，不久就在2018年5月發(fā)射的嫦娥四號中繼星鵲橋任務(wù)中正式投入使用。在這次任務(wù)中，阿根廷、佳木斯和喀什站共同為鵲橋中繼星提供了S頻段測控支持，這也是3個測控站首次完成全網(wǎng)協(xié)作。

阿根廷深空站(南緯38°11′28.90″, 西經(jīng)70°8′58.20″)35米天線及附近地形?

至此，中國已經(jīng)初步組建了自己的深空測控網(wǎng)。

全球主要深空測控設(shè)施分布。截止目前，我國深空測控網(wǎng)由中國中國西北部喀什地區(qū)35米深空站、中國東北部佳木斯地區(qū)66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站組成

2018年12月，嫦娥四號發(fā)射，佳木斯、喀什、阿根廷3站為嫦娥四號的飛行、著陸、月背工作提供了X與S頻段測控通信支持，全面驗證了中國的深空測控能力。

嫦娥四號任務(wù)的月背通訊?

在此基礎(chǔ)上，為了火星和接下來更遠(yuǎn)的深空探測任務(wù)，中國還在繼續(xù)強化測控網(wǎng)的建設(shè)，向著更大、更多、更廣的目標(biāo)邁進。

2019年10月底，西安衛(wèi)星測控中心位于喀什的3臺35米天線完成吊裝。多個天線可以單獨工作，也可以組成天線陣列，達(dá)到更大口徑天線的效果。

喀什新天線的吊裝 ，來源：我們的太空

另一邊，在探測數(shù)據(jù)的接收方面，除了之前已有的密云40米和50米、昆明40米等天線之外，2020年4月25日，中國科學(xué)院國家天文臺在天津武清的70米天線（GRAS-4）吊裝成功，預(yù)計到2020年10月投入使用，可以在天問一號抵達(dá)火星之后加入數(shù)據(jù)接收工作。

來源：人民日報

任探測器飛得再遠(yuǎn)，都能“抓得住”，“收得到”，這是我們邁向星辰大海的前提和保障。

天問一號精彩的火星之旅

探索火星，注定是一條充滿挑戰(zhàn)的荊棘之路，但也是中國想要邁向行星，去往更遠(yuǎn)的星球所必須拿下的起點。

“天問一號”配置了三種不同類型的發(fā)動機：一種是3000N的主發(fā)動機，這屬于大推力；第二種是120N的發(fā)動機，這是中檔的推力；第三種最小的推力則來自25N發(fā)動機，主要用于姿態(tài)控制。

2020年7月23日12：41發(fā)射，2021年2月10日19：52左右抵達(dá)，飛行距離超過4.6億公里，可以看到中間安排了多次中途軌道修正

在此之前，在飛向火星的將近4.7億公里的旅程中，“天問一號”已經(jīng)利用這些發(fā)動機相互配合，分別在：

順利進行了4次軌道修正，以確?！疤靻栆惶枴焙较蛘_。

一路上，“天問一號”還不忘帶給我們一些驚喜：

2020年7月27日，“天問一號”從海南出發(fā)后4天，在距離地球大約120萬公里處拍攝并傳回的地月系合影

2020年10月1日國慶節(jié)當(dāng)天，“天問一號”用自己攜帶的分離測量傳感器（你可以理解為自帶相機的小衛(wèi)星）拍攝傳回的自拍照，為國慶獻(xiàn)禮。此時它距離祖國已經(jīng)2400萬公里。畫面里可以清楚地看到圓錐形的著陸器-漫游車組合體，穿著金色隔熱服的軌道器，以及一臺與地球聯(lián)絡(luò)的高增益天線，當(dāng)然還有鮮紅的五星紅旗

最后這張肯定都記得。這是“天問一號”探測器拍攝的第一張火星圖像，由中國國家航天局在2021年2月5日對外發(fā)布。此時天問一號距離火星大約220萬公里

著陸火星：挑戰(zhàn)“探測器墳場”

即使順利飛到火星附近，地面站也沒和探測器失聯(lián)，對于一個著陸任務(wù)來說，其實才只成功了一半。

這一點也沒有夸張。從1960年人類第一次嘗試發(fā)射火星探測器至今，一共有15次火星著陸任務(wù)成功進入了火星大氣層，但只有8次任務(wù)成功著陸并順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測器墳場”的稱號。

截止2020火星發(fā)射窗口之前的火星著陸版圖，括號里的是抵達(dá)年份。數(shù)據(jù)來源：MOLA，制圖：haibaraemily

著陸火星比著陸月球要危險得多，這很大程度上要怪火星有大氣層。盡管火星大氣層很稀薄，表面大氣壓只有地球的6%，但也足以形成一個“屏障”，讓毫無防備的探測器“未達(dá)火星先燒壞”了。

但也不是說火星大氣沒有一點好處，事實上，火星大氣的存在讓著陸器任務(wù)有了利用大氣摩擦減速和使用降落傘減速的空間，這些都能緩解之后使用反沖火箭減速的壓力。

總之，相比于簡單直接的月球著陸任務(wù)，火星著陸任務(wù)多了很多復(fù)雜的步驟。例如著陸組件得先被塞進一個隔熱盾里保護起來，降落傘要能打得開撐得住，減速到一定程度隔熱盾還要打得開拋得掉…… 而這些都得靠探測器自主判斷和完成。

更復(fù)雜，也往往意味著更多不確定性。任何一個操作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會讓探測器無法成功著陸。這對于第一次嘗試著陸火星的中國來說，顯然有太多太多巨大的挑戰(zhàn)。

例如降落傘，葉培健院士就表示要“反反復(fù)復(fù)抓降落傘”。歐空局和俄宇航的ExoMars 2020任務(wù)，很大程度上就是因為降落傘不過關(guān)，而退出本屆火星賽季的。

來源：央廣網(wǎng)、新華網(wǎng)

來源：央視新聞

當(dāng)然，還有一點不能不提的，是嫦娥工程的技術(shù)積累。從2007年到2018年，嫦娥一號到四號通過四次任務(wù)逐步實現(xiàn)了月球的環(huán)繞、著陸和巡視，這其中積累的實戰(zhàn)經(jīng)驗和科學(xué)技術(shù)人才，是中國火星任務(wù)和接下來深空任務(wù)最寶貴的財富。

來源：探月工程數(shù)據(jù)發(fā)布與信息服務(wù)系統(tǒng)