天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器介紹中國(guó)于7月23日12時(shí)41分成功發(fā)射了首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器，這標(biāo)志著中國(guó)探索行星的第一步。按照計(jì)劃，中國(guó)將在本次火星探測(cè)任務(wù)中完成“環(huán)繞、著陸、巡視”三大任務(wù)。接下來(lái)，我們將對(duì)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器進(jìn)行介紹。在介紹天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器之前，我們先來(lái)欣賞一些圖片。天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器的名字來(lái)源于屈原長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》。該詩(shī)從天地離分、陰陽(yáng)變化、日月星辰等自然現(xiàn)象，一直問(wèn)到神話傳說(shuō)乃至圣賢兇頑和治亂興衰等歷史故事，表現(xiàn)了作者對(duì)某些傳統(tǒng)觀念的大膽懷疑，以及追求真理的探索精神，具有濃厚的道家色彩。2020年4月24日，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)系列”，首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”，后續(xù)行星任務(wù)依次編號(hào)。這組名稱寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無(wú)止境。中國(guó)行星探測(cè)工程以“攬星九天”作為工程的圖形標(biāo)識(shí)。太陽(yáng)系八大行星依次排開(kāi)，表達(dá)了宇宙的五彩繽紛，呈現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的豐富多彩，飽含動(dòng)感，氣韻流動(dòng)。開(kāi)放的橢圓軌道整體傾斜向上，展示了獨(dú)特字母“C”的形象，代表了中國(guó)行星探測(cè)-China，體現(xiàn)著國(guó)際合作精神-Cooperation，標(biāo)志著深空探測(cè)進(jìn)入太空能力-C3。這組意義深遠(yuǎn)的名稱與圖形標(biāo)識(shí)將承載著中國(guó)人航天強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想，為人類和平利用太空推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體貢獻(xiàn)更多中國(guó)智慧、中國(guó)方案、中國(guó)力量，前往未至，發(fā)現(xiàn)未知?；鹦鞘堑厍虻慕?，被西方稱之為“戰(zhàn)神瑪爾斯”，在古代中國(guó)，人們稱它為“熒惑”。這是因?yàn)樗谝箍罩谐尸F(xiàn)紅色，熒熒如火，在古人看來(lái)，它飄忽不定，亮度也常發(fā)生變化，似乎是上天在迷惑人類。所以在中國(guó)古代這顆行星被命名為“熒惑”。陰陽(yáng)五行學(xué)說(shuō)興起之后，熒惑有了新的名稱——火星。中國(guó)選擇火星作為探測(cè)目的地，是因?yàn)樗堑厍蜃罱咏男行侵?，研究它有助于了解太?yáng)系的演化歷程，以及尋找外星生命的可能性。人類對(duì)火星的關(guān)注度越來(lái)越高，從肉眼觀測(cè)到望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，人們學(xué)會(huì)了利用科學(xué)的方法來(lái)探索這顆紅色星球。蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出了使用液體推進(jìn)劑和多級(jí)火箭進(jìn)行太空探索的理論，其科幻小說(shuō)《在地球之外》描繪了一群科學(xué)家和工程師乘坐火箭驅(qū)動(dòng)的飛船到太空旅行，繞地球飛行、降落在月球上、飛行到火星附近并返回地球。如今再讀這部小說(shuō)，你會(huì)覺(jué)得科幻，但其中很多場(chǎng)景已經(jīng)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代航天理論和火箭理論的奠基人齊奧爾科夫斯基曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“地球是人類的搖籃，但是人類不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里，而會(huì)不斷地去爭(zhēng)取生存世界和空間?！比祟悓?duì)宇宙的探索從未停止，火星是太陽(yáng)系中唯一一個(gè)存在于宜居帶中的星球之一。宜居帶的判定標(biāo)準(zhǔn)是該區(qū)域的溫度高低，是否可以讓液態(tài)水存在。液態(tài)水對(duì)于生命的存在是決定性因素，可以存在液態(tài)水的區(qū)域被稱作是宜居帶?；鹦翘幱诒Ｊ匾司訋?nèi)，可以允許液態(tài)水存在。太空探索路線中，離開(kāi)了地月系之后火星是首選?；鹦窍啾扔诘厍颍w積小了很多，表面干旱，而且大氣也很稀薄，小于1%的地球大氣壓，以二氧化碳為主，沒(méi)有像地球一樣的大偶極場(chǎng)來(lái)阻擋高能射線。雖然火星是宜居帶星球，但即使是移民火星也不能像在地球上一樣舒適地生活。除了“宜居星球”身份，火星探測(cè)對(duì)于天文學(xué)觀測(cè)還有潛在的重大的促進(jìn)意義，在射電觀測(cè)中越長(zhǎng)的基線意味著越高的分辨率。有臺(tái)站遍布全世界的甚長(zhǎng)基線干涉陣，在1997年，日本發(fā)射一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡到近地空間得到了2.5萬(wàn)KM的基線長(zhǎng)度。如果在火星上建立射電望遠(yuǎn)鏡并與地面站形成干涉陣，那么基線長(zhǎng)度將會(huì)達(dá)到10^9千米的量級(jí)，相應(yīng)的理論分辨率也會(huì)提高很多。火星是地月系外最容易登陸的行星，由于其特殊位置和相對(duì)較小的質(zhì)量體積。如果射電天文擴(kuò)張到星際長(zhǎng)基線干涉，火星將是第一個(gè)天線的落腳點(diǎn)。人類對(duì)火星進(jìn)行了45次探測(cè)，自上世紀(jì)60年代開(kāi)始，蘇聯(lián)和美國(guó)紛紛向火星發(fā)射探測(cè)器。雖然成功了飛躍、環(huán)繞、著陸和巡視，但成功率不高，不到50%。通過(guò)下面的表格可以看出，和飛躍、環(huán)繞探測(cè)相比，著陸、巡視類探測(cè)任務(wù)更加困難，成功率很低。這些數(shù)據(jù)表明到達(dá)火星、著陸火星的難度還是很大的。長(zhǎng)征五號(hào)火箭由航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制，是我國(guó)最高、體積最大、運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭。長(zhǎng)征五號(hào)火箭起飛質(zhì)量約870噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸運(yùn)載能力，把中國(guó)火箭送入包括美國(guó)和俄羅斯在內(nèi)的世界主流火箭陣營(yíng)。這是長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭的第五次發(fā)射任務(wù)，也是首次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射任務(wù)。中國(guó)未來(lái)的載人航天工程空間站建設(shè)、探月工程三期以及火星探測(cè)任務(wù)，都將使用長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭加速到超過(guò)11.2千米/秒的速度，之后完成分離，直接將探測(cè)器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，開(kāi)啟奔向火星的旅程?；鸺┘?jí)則相當(dāng)于太陽(yáng)系的人造行星，將繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)航天器的速度達(dá)到每秒11.2千米的第二宇宙速度時(shí)，就可以完全擺脫地球引力，去往太陽(yáng)系內(nèi)的其他行星或者小行星，因此，第二宇宙速度也被稱為“逃逸速度”。長(zhǎng)征五號(hào)火箭第一次達(dá)到并超過(guò)第二宇宙速度，飛出了中國(guó)運(yùn)載火箭的最快速度。發(fā)射深空探測(cè)器需要火箭提供足夠的發(fā)射能量，獲得足夠大的初始速度。長(zhǎng)征五號(hào)的地火轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力超過(guò)了5噸，因此，發(fā)射天問(wèn)一號(hào)這樣重近5噸的大型探測(cè)器，只有“胖五”能夠勝任。長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭已完成了高軌大衛(wèi)星、載人飛船試驗(yàn)船及深空探測(cè)器三類航天器的發(fā)射，成為長(zhǎng)征火箭家族中唯一可以勝任三種任務(wù)類型的火箭。因此，選擇長(zhǎng)征五號(hào)火箭送“天問(wèn)”是非常合適的決定。據(jù)長(zhǎng)征五號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師李東介紹，未來(lái)我國(guó)的高軌衛(wèi)星重量可以達(dá)到8噸左右，但只能通過(guò)長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射。同時(shí)，長(zhǎng)征五號(hào)火箭還可以搭配合適的上面級(jí)，以一箭雙星的形式同時(shí)發(fā)射兩顆5.5噸重量的高軌衛(wèi)星。長(zhǎng)征五號(hào)火箭的優(yōu)勢(shì)在于可以將5噸的載荷送入地火轉(zhuǎn)移軌道，足夠攜帶著陸器和巡視器。長(zhǎng)征三號(hào)甲系列火箭之前承擔(dān)了月球探測(cè)器發(fā)射任務(wù)，相繼發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”到“嫦娥四號(hào)”，但在更遠(yuǎn)的深空探測(cè)和更重的探測(cè)器發(fā)射任務(wù)中，長(zhǎng)征五號(hào)火箭更為適合。按計(jì)劃，長(zhǎng)征五號(hào)遙五火箭今年還將運(yùn)送嫦娥五號(hào)完成我國(guó)首次月球采樣返回任務(wù)。明年，長(zhǎng)征五號(hào)B火箭將成為我國(guó)空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙的“專屬列車”，專為載人航天工程空間站建設(shè)研制，將在未來(lái)兩三年內(nèi)完成我國(guó)空間站艙段的發(fā)射。長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功將探測(cè)器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，但這只是“天問(wèn)一號(hào)”一次性完成“繞、落、巡”系列任務(wù)的第一步?；鹦翘綔y(cè)器將在地火轉(zhuǎn)移軌道飛行約7個(gè)月后，到達(dá)火星附近，通過(guò)“剎車”完成火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火軌道，并擇機(jī)開(kāi)展著陸、巡視等任務(wù)，進(jìn)行火星科學(xué)探測(cè)。任務(wù)后續(xù)計(jì)劃分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：1.器箭分離后，探測(cè)器太陽(yáng)翼和定向天線相繼展開(kāi)，在測(cè)控系統(tǒng)支持下，飛行約7個(gè)月抵達(dá)火星，其間進(jìn)行深空機(jī)動(dòng)和中途修正。2.探測(cè)器進(jìn)入環(huán)火軌道并經(jīng)過(guò)制動(dòng)后，通過(guò)2至3個(gè)月的環(huán)繞飛行后首選進(jìn)入窗口，其間在著陸區(qū)上空對(duì)著陸區(qū)開(kāi)展探測(cè)。3.探測(cè)器擇機(jī)實(shí)施降軌機(jī)動(dòng)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過(guò)程提供中繼通信。4.著陸巡視器進(jìn)入火星大氣，依次完成配平翼展開(kāi)、降落傘開(kāi)傘、大底分離、背罩分離、動(dòng)力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩沖等動(dòng)作，在火星烏托邦平原軟著陸。5.著陸巡視器安全著陸后，火星車與著陸平臺(tái)解鎖分離?；鹦擒囻傠x著陸平臺(tái)，開(kāi)始巡視探測(cè)。環(huán)繞器進(jìn)入中繼軌道，為火星車提供中繼通信，兼顧科學(xué)探測(cè)。6.火星車完成探測(cè)任務(wù)后，環(huán)繞器進(jìn)入使命軌道，開(kāi)展火星全球遙感探測(cè)，兼顧火星車擴(kuò)展任務(wù)中繼通信。據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者了解，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)起步雖晚，但目標(biāo)高遠(yuǎn)，從立項(xiàng)伊始就明確提出要通過(guò)一次發(fā)射完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)”三大任務(wù)，成為世界上第二個(gè)獨(dú)立掌握火星著陸巡視探測(cè)技術(shù)的國(guó)家。首次火星探測(cè)任務(wù)的工程目標(biāo)包括突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞探測(cè)和巡視探測(cè)，獲取科學(xué)數(shù)據(jù)，建立獨(dú)立自主的深空探測(cè)工程體系，推動(dòng)我國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是對(duì)火星形貌、地質(zhì)構(gòu)造特征、表面土壤特征與水冰分布、物質(zhì)組成、大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，火星探測(cè)器攜帶了多臺(tái)儀器。龐之浩表示，采用“一舉三得”的探火方式是前所未有的，如果成功，我國(guó)深空探測(cè)能力和水平將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為世界第三個(gè)在火星著陸的國(guó)家，第二個(gè)在火星巡視的國(guó)家。此外，環(huán)繞器和火星車可以一起對(duì)火星進(jìn)行普查和詳查，獲得更多成果。黃志澄表示，如果中國(guó)能夠完成三大火星探測(cè)任務(wù)，將創(chuàng)造一個(gè)人類探火的新紀(jì)錄，證明中國(guó)航天技術(shù)已經(jīng)步入世界先進(jìn)行列，將是中國(guó)航天發(fā)展史的一個(gè)里程碑。在火星探測(cè)器著陸過(guò)程中，大氣環(huán)境十分復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)環(huán)境也存在不確定性，進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航極為困難。因此，探測(cè)器必須具有自主導(dǎo)航、控制和障礙規(guī)避的能力，以避免失去控制而撞毀在火星表面。利用地表圖像進(jìn)行特征提取和跟蹤，并實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)火星自主、精確、安全著陸任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可以讓探測(cè)器利用光學(xué)相機(jī)獲取火星表面圖像，并提取星表特征點(diǎn)、隕石坑、山脊、溝壑等作為導(dǎo)航陸標(biāo)，通過(guò)跟蹤這些特征和慣性導(dǎo)航信息，實(shí)現(xiàn)精確著陸。這不僅是完成著陸器自主導(dǎo)航的重要手段，也將在很大程度上解決我國(guó)行星探測(cè)自主、安全、精確著陸任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)電科研制的環(huán)繞器雷達(dá)是中國(guó)首款環(huán)繞器雷達(dá)之一，可以探測(cè)火星表層和次表層結(jié)構(gòu)分層信息，尋找火星地下冰水存在的痕跡與證據(jù)。該雷達(dá)利用低頻段雷達(dá)的介質(zhì)穿透特性，在高速環(huán)繞的衛(wèi)星平臺(tái)上，向火星發(fā)射低頻率電磁波，穿透到次表層內(nèi)部，利用回波特性分析次表層分層結(jié)構(gòu)，并推算其物質(zhì)組成，相當(dāng)于為火星探測(cè)加裝了一雙“X眼”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測(cè)。該雷達(dá)可以穿透幾百米的火星次表層土壤和幾千米的冰層，同時(shí)采用星上實(shí)時(shí)處理技術(shù)降低數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)星際超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。鋰氟化碳電池組是中國(guó)電科研發(fā)的一種電源產(chǎn)品，首次在深空探測(cè)器上應(yīng)用?；鹦翘綔y(cè)路途遙遠(yuǎn)，需要可靠穩(wěn)定的電源產(chǎn)品，才能為火星探測(cè)器成功著陸火星表面提供強(qiáng)勁動(dòng)力。在著陸過(guò)程中，電源產(chǎn)品的可靠穩(wěn)定至關(guān)重要。為確保電池穩(wěn)定，項(xiàng)目組采用鋰氟化碳電池組作為進(jìn)入艙電源，較之鋰離子蓄電池組方案減重了5kg。針對(duì)探測(cè)器在7個(gè)月轉(zhuǎn)移時(shí)間內(nèi)的環(huán)境溫度變化考驗(yàn)，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)工藝控制，有效減少了電源產(chǎn)品高溫下的自放電率，實(shí)現(xiàn)了能量在軌長(zhǎng)期貯存。在即將著陸的階段，中國(guó)電科也配備了若干核心器件，為著陸提供動(dòng)力源。某型行星齒輪減速無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)組件的動(dòng)力源，通過(guò)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作努力，成功解決了一系列技術(shù)難題，有效提高了整個(gè)火星系統(tǒng)的可靠性。在空間體積有限的前提下，中國(guó)電科為火星探測(cè)器配套了若干傳感器和核心關(guān)鍵器件，并積極開(kāi)展專項(xiàng)小型化設(shè)計(jì)和減重設(shè)計(jì)。其中，某傳感器在滿足結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求的前提下，成功突破了同類產(chǎn)品減重紀(jì)錄，為整機(jī)減重設(shè)計(jì)做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)，研制配套的功率模塊、低噪聲放大器、二極管等多款產(chǎn)品，為深入研究探測(cè)火星土壤層、沉積層和冰層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)保障。配備的系列固放、變頻組件，覆蓋了環(huán)繞器和著陸巡視器的多種器型裝備，攻克若干瓶頸，可適應(yīng)溫區(qū)范圍較大的工作條件和儲(chǔ)存條件，滿足火星探測(cè)組件小型化、高可靠的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。深空探測(cè)是繼衛(wèi)星應(yīng)用、載人航天之后又一重大航天技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)提出了更新、更高、更嚴(yán)的要求。在首次火星探測(cè)任務(wù)中，測(cè)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成對(duì)探測(cè)器各飛行階段的測(cè)定、監(jiān)視、控制，以及對(duì)著陸巡視器在火星表面探測(cè)階段的控制等任務(wù)。中國(guó)電科發(fā)揮在歷次航天發(fā)射中積累的測(cè)控通信經(jīng)驗(yàn)，配備了系列測(cè)控設(shè)備，為火星探測(cè)器在茫?！靶浅酱蠛！敝袦y(cè)定軌保駕護(hù)航。作為佳木斯深空測(cè)控站的總體單位，中國(guó)電科對(duì)測(cè)控站進(jìn)行了研發(fā)升級(jí)，全力保障火星探測(cè)任務(wù)的完成。通過(guò)66米天線與另外兩個(gè)測(cè)控站協(xié)同配合，對(duì)探測(cè)器飛行軌道進(jìn)行測(cè)量，保證探測(cè)器準(zhǔn)確進(jìn)入軌道。此外，通過(guò)發(fā)送指令，指揮探測(cè)器做變軌、打開(kāi)太陽(yáng)帆板、轉(zhuǎn)動(dòng)天線、環(huán)繞器與著陸巡視器分離等動(dòng)作，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)星上設(shè)備工作狀態(tài)，檢查探測(cè)器供電、溫度、氣壓等參數(shù)。在登上火星后，測(cè)控站還將負(fù)責(zé)完成拍照任務(wù)和數(shù)據(jù)的傳輸。研制的多型測(cè)控系統(tǒng)，在探測(cè)器發(fā)射、火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)各個(gè)階段，執(zhí)行地面遙控、遙測(cè)、高精度的目標(biāo)導(dǎo)航、數(shù)據(jù)接收等任務(wù)，為首次火星探測(cè)任務(wù)提供堅(jiān)實(shí)測(cè)控和通信技術(shù)保障。相比登月跨越的38萬(wàn)千米，地球到火星數(shù)千萬(wàn)千米的距離，對(duì)飛行器的深空探測(cè)是一項(xiàng)巨大的考驗(yàn)，這也注定了“天問(wèn)一號(hào)”7個(gè)月的旅程，必然是充滿挑戰(zhàn)。與近地軌道相比，本次任務(wù)的最遠(yuǎn)作用距離達(dá)到4億千米，數(shù)據(jù)信號(hào)較為微弱，且在任務(wù)過(guò)程中還會(huì)面臨影響探測(cè)精度的光和流層等因素干擾，為全力保障首次火星探測(cè)任務(wù)，中國(guó)電科進(jìn)行了系列技術(shù)升級(jí)。輕裝上陣，才能飛得更遠(yuǎn)。中國(guó)電科為火星探測(cè)器配備的測(cè)控設(shè)備，能夠在探測(cè)器發(fā)射、火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)各個(gè)階段，執(zhí)行地面遙控、遙測(cè)、高精度的目標(biāo)導(dǎo)航、數(shù)據(jù)接收等任務(wù)，為深空探測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。通過(guò)66米天線與另外兩個(gè)測(cè)控站協(xié)同配合，中國(guó)電科能夠?qū)μ綔y(cè)器飛行軌道進(jìn)行測(cè)量，保證探測(cè)器準(zhǔn)確進(jìn)入軌道。此外，他們還能夠通過(guò)發(fā)送指令，指揮探測(cè)器做變軌、打開(kāi)太陽(yáng)帆板、轉(zhuǎn)動(dòng)天線、環(huán)繞器與著陸巡視器分離等動(dòng)作，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)星上設(shè)備工作狀態(tài)，檢查探測(cè)器供電、溫度、氣壓等參數(shù)。在登上火星后，測(cè)控站還將負(fù)責(zé)完成拍照任務(wù)和數(shù)據(jù)的傳輸。中國(guó)電科承研了一座70米高性能接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)為亞洲口徑最大的全可動(dòng)天線。它能夠穩(wěn)定接收微弱人造數(shù)據(jù)信號(hào)和感知極微弱宇宙自然天體輻射電磁波等功能，可用于宇宙深空探測(cè)器遙