天问一号成功入轨 “问天”究竟有多难？

发表于 4年以前 | 总阅读数：713 次

天问一号成功入轨

国家航天局局长、此次火星探测任务工程总指挥张克俭宣布环绕火星成功。至此，天问一号成为我国第一颗人造火星卫星，其“绕、着、巡”的三步计划也顺利开启。

截至昨晚成功实施火星捕获，天问一号已累计飞行 202 天，飞行里程约 4.75 亿千米，距离地球约 1.92 亿千米，各系统状态良好。

从地火转移阶段进入到火星捕获阶段后，天问一号携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子和能量粒子探测仪等载荷也将开始工作，对火星的多维度探测也要开始了。

国家航天局表示：

后续天问一号还将经过多次轨道调整，进入火星停泊轨道，开展预选着陆区探测，计划于 2021 年 5-6 月择机实施火星着陆，开展巡视探测。

对此，NASA 科学任务副局长 Thomas Zurbuchen 在推特上表示：

今日天问一号成功进入火星轨道，祝贺中国。火星仍有很多未解之谜等待着我们去探索，期待中国的成就！

除了 NASA，欧洲航天局也通过推特表示祝贺。

作为我国首个火星探测任务，天问一号自 2020 年 7 月 23 日成功发射以来备受关注，其成功入轨的消息迅速登上各大社交媒体热榜。

网友纷纷表示：

科技强国！新春大礼包来了！

向天问一号送去我的新年祝福，新年快乐！

中国视角，中国荣誉。

天问一号任务有多难？

自上世纪 60 年代以来，探测火星就贯穿了人类航天史，但直到今天，全球范围内火星探测任务成功率也还不足五成。

1960 年 10 月，前苏联连发史上首枚、第二枚探测器“火星 1A 号”和“火星 1B 号”，却连地球轨道都未到达。

此后，前苏联和美国的探测器或发射失败、或失去通信联系、或被烧毁，多次尝试均以失败告终。

1964 年，失败魔咒首次被打破。12 月 28 日发射的美国“水手 4 号”，于 7 个月后终于在距火星表面 9800 千米的上空掠过火星，向地球发回 21 张照片，这也是史上首个成功到达火星并发回数据的探测器。

70 年代，火星探测器（美国“水手 9 号”）才首次进入环绕火星轨道。

此后，日本、欧洲航天局、印度、阿联酋、中国纷纷加入火星探测的队伍，人类向火星发射航天器已有约 50 次——然而共有 11 次任务连地球引力范围都没突破，还有 5 次探测器中途失联的情况。

据了解，火星探测任务主要有四个类型：一是简单的飞掠，主要用于航天技术尚不成熟的阶段；二是环绕，探测器通过制动减速进入火星轨道；三是着陆，在火星表面详细研究；四是巡视，火星车将携带多项科学仪器进行自由巡视。

【图源知乎答主@太空精酿】

而天问一号要做的是一次性完成环绕-着陆-巡视的任务，考虑到此前各国在火星探测方面的情况，其难度可见一斑。

此次任务之难，主要在于以下几个层面：

其一，即便在窗口期，火星也依旧是一颗遥远的星球，探测器携带有限燃料出远门，为探测器飞行轨道的精密设计提了很高的要求。

其二，若探测器经过 6-7 个月漫漫旅途后顺利进入火星轨道，能否被火星捕获也是一大难点，切入点的远近直接关系到探测器是被捕获、掠过火星还是坠毁。

其三，整个任务最大的挑战便是如何成功着陆火星。探测器将 4.8km/s 的速度降到 0，需要 7 分钟左右，而这个过程也常被称为“恐怖 7 分钟”。何时减速、进入大气的姿态与角度如何，都需要精准控制，但鉴于人类对火星的认知不足，加之地火之间单程无线电信号的延时问题，依靠地面指挥实属不易。

幸运的是，天问一号已克服了两大难题。

这里需要解释的是，昨夜天问一号之所以能被火星捕获，关键在于一个动作——刹车。

根据机械能守恒定理，要造访火星，天问一号这个“外来者”的机械能大于 0，但只有设法减少机械能，天问一号才能进入轨道，否则可能出现飞掠火星的情况。

据中科院地质地球所，这种情况下只能进行航空器刹车的操作：

当今航天器的刹车方法主要有两种，一是利用行星大气层阻力和空气动力的“大气刹车”，二是利用火箭发动机的反向推进刹车。

此次天问一号采取了后者——一方面，天问一号分为轨道器与着陆器（巡视器）两大部分，轨道器要长期留在火星的稳定轨道上，不能一股脑地刹车；另一方面，我国对于火星大气环境，包括密度分布、温度分布、风场等等都知之甚少，美国在公开论文中给出的数据不够精细，也不能轻信。

据了解，除了昨夜的第一次点火，天问一号还将会通过 2 次点火保证自己处于火星轨道上。

下图是最初计划的天问一号轨道机动示意。