天问一号——今年难度最大的火星任务
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作者：zhangran
基于火星与地球的运动关系，受限于当前运载火箭的能力，每隔26个月才有一次有利的火星探测发射机会。2020年7-8月是火星探测的一个窗口器，共有阿联酋、中国、美国三国发起了火星探测任务。
阿联酋的希望号火星环绕器已于7月20日从日本搭载H-2A火箭成功发射；
我国的天问一号火星探测任务计划于7月23日搭载长征5号火箭从文昌发射；
美国的毅力号火星车任务计划于7月30日搭载宇宙神5火箭发射。
三个任务中，我国的天问一号是难度最大的火星探测任务。
一、火星探测历史背景
火星是离太阳第四近的行星，大小正好处在地球和月球之间，平均赤道半径为3 398 km，约为地球的1/2，月球的2倍。火星的运行轨道为明显的椭圆形，绕日公转周期为687天，约为2个地球年。
根据目前的探测成果，火星上可能存在过生命和液态水，经过改造有望成为太阳系中的另一颗宜居行星，为人类向火星移民，开辟新的生存空间提供了新的希望。
国际火星探测起步于20世纪60年代，截至目前共实施了44次活动，美国21次，苏联/俄罗斯19次，日本1次，欧洲空间局（EuropeanSpace Agency, ESA，以下简称欧空局）2次，印度1次。完全成功或部分成功23次，成功率约53%。
从时间跨度来看，火星探测历程可分为3个阶段。
第1阶段（1960—1975年），实施了23次任务，主要特征是美、苏在冷战背景下，以此作为角力场，以互相展示国家能力开展竞争。
第2阶段（1976—1990年），随着美苏竞争战略重点转移，火星探测进入低潮期，仅实施了2次任务。
第3阶段（20世纪90年代至今），实施了18次任务，以发展新技术和获得科学发现为主要驱动力，催生了又一个火星探测的高潮期。
火星探测技术的发展按照由易到难的路径，逐步实现了掠飞、环绕、着陆、巡视。
目前美国实现了火星环绕、着陆和巡视，是火星探索的绝对领头羊，尤其是2012年8月着陆的好奇号火星车采用了“空中吊车”的着陆技术震撼了全球，今年执行的毅力号火星车是好奇号的升级版；下一目标计划在2030年与欧洲合作实现火星采样返回任务。
俄罗斯和欧空局各自成功实现过火星环绕，均多次尝试过着陆；其中苏联/俄罗斯4次尝试进行火星着陆探测，仅1次取得部分成功；欧空局通过实施“火星快车”任务，掌握了环绕探测技术；目前双方正在合作开展火星着陆巡视任务。
日本开展了1次目标为环绕的火星探测任务，也为“希望号”（与目前阿联酋的火星环绕器同名，区别），但仅实现了掠飞。
印度实现了一次火星环绕任务——曼加里安，掌握了环绕探测技术，并成为亚洲第一个成功实现火星环绕探测的国家。
阿联酋在2020年7月20日发射了“希望号”火星环绕器，计划在2021年2月进入火星轨道。
中国将是全球第7个进行火星探测的国家（或地区）。
二、工程介绍
天问一号的工程目标是突破火星制动捕获、进入/下降/着陆（Entry Descent
and Landing，EDL）、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术，实现火星环绕探测和巡视探测，获取火星探测科学数据。
通过火星环绕探测和巡视探测，主要完成以下五项科学目标：
1）研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征，获取典型地区高精度形貌数据，开展火星地质构造成因和演化研究。
2）研究火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息，开展火星土壤剖面分层结构研究。
3）研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型，探查火星表面次生矿物，开展表面矿物组成分析。
4）研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。
5）研究火星物理场与内部结构。探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。
天问一号探测器在与长征五号分离后，主要经历以下几个阶段：
中途修正：探测器与运载火箭分离后，经过中途修正和约6-7个月的飞行抵达火星。
火星捕获：在近火点附近实施制动，实现火星捕获，进入周期约10个火星日的环火椭圆轨道，再择机实施轨道机动，进入周期约2个火星日的椭圆停泊轨道，完成着陆区预先探测和着陆点调整后，择机释放着陆巡视器。
中继通信：环绕器随即进行轨道调整，进入中继通信轨道。
再入、下降、着陆/EDL：着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲，软着陆于火星表面。
探测器软着陆火星的进入、下降、着陆过程分为气动减速、伞系减速、动力减速、着陆缓冲4个阶段。
车器分离：火星车与承载平台分离，在火星表面开展巡视科学探测。
环绕器在中继通信轨道上为火星车提供中继通信链路，兼顾开展科学探测，运行90个火星日后，进行轨道调整，进入遥感使命轨道，开展科学探测，并兼顾火星车中继通信。
火星巡视器的着陆地点计划为火星赤道北部乌托邦平原的两个平坦区域，这里地势平坦，适合火星巡视器着陆和火星车的探测。备选着陆地点还包括赤道附近的子午线高原等。
环绕器科学观测阶段的轨道是极地椭圆轨道(265公里*12000公里)。巡视器将在探测器到达火星表面2-3个月后进行软着陆，候选着陆地点在乌托邦平原/Utopia Planitia。
三、系统组成
天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成，总质量约5 t。
环绕器在中继通信轨道上为火星车提供中继通信链路，兼顾开展科学探测，运行90个火星日后，进行轨道调整，进入遥感使命轨道，开展科学探测，并兼顾火星车中继通信。
环绕器主要完成以下5项科学任务：
1）火星大气电离层分析及行星际环境探测。
2）火星表面和地下水冰的探测。
3）火星土壤类型分布和结构探测。
4）火星地形地貌特征及其变化探测。
5）火星表面物质成分的调查和分析。
为了完成环绕探测科学任务，环绕器配置了中分辨率相机、高分辨率相机、环绕器次表层探测雷达、火星矿物光谱分析仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7种有效载荷，并配备一台环绕器载荷控制器对载荷进行控制和管理，对火星开展全球性、普查性探测。
着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱完成火星进入、下降、着陆任务。火星车对火星进行遥感探测和区域精细探测，主要完成以下4项科学任务：
1）火星巡视区形貌和地质构造探测。
2）火星巡视区土壤结构（剖面）探测和水冰探查。
3）火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探。
4）火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。
为了完成巡视探测科学任务，火星车配置了火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪共6种有效载荷，对火星进行遥感探测和区域精细探测。通过集成一体化设计的载荷控制器对载荷进行控制和管理。
火星车重约240公斤(美国的毅力号火星车重约1025 kg），几乎是中国玉兔月球车质量的两倍，预计将在火星上运行约90天，使用太阳能供电。
四、工程难度大
我国首次火星探测任务起步晚，但起点高、跨越大，基于探月工程的基础和“长征5号”（CZ-5）火箭的运载能力，瞄准当前世界先进水平确定任务目标。将在国际上首次通过一次发射任务，实现火星环绕和着陆巡视探测，将使我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。一次发射任务，实现火星环绕和着陆巡视探测，也是国际探火历史上绝无仅有的。
这种探测方式着眼于环绕器与火星车有效载荷之间的互动和配合，互为补充。这种既有着眼于火星全球、全局的探测，又有着眼于火星局部地区的高精度探测，可以实现探测任务的天地验证和互相补充。环绕器兼顾火星车中继通信链路和开展科学探测两项功能。
探测器由环绕器和着陆巡视器组成，总质量约5 t。天问一号在文昌航天发射场，使用“长征5号”运载火箭直接将探测器发射至地火转移轨道。本次发射，是长征五号火箭首次发射深空轨道的任务，天问一号探测器将达到第二宇宙速度，直接进入奔火轨道。
阿联酋的希望号环绕器仅重1.35 t，使用日本的H-IIA火箭发射；
美国毅力号火星车任务的发射总重约3.8t（火星车重量1.025t），由宇宙神V- 541型运载火箭发射。
火星探测每26个月才出现一次发射机会，对运载火箭的运载能力、准备时间、发射窗口等方面有很高的要求。
本次发射是长征五号运载火箭的遥四任务，在经历了遥二发射的失利后，工程师对火箭进行了改进，成功在2019年12月27日用遥三火箭发射了实践-20卫星；今年的5月5日，长五B运载火箭成功发射我国新一代载人飞船。
人类对火星的研究还很肤浅，探测数据还很缺乏，基于已掌握的数据得出的结论与火星真实环境的符合性具有很大的不确定性。我国没有火星环境的一手资料，只能通过广泛查阅国外已公开发表的文献资料获得相关数据，确定工程适用的环境参数项目，量化环境参数及其不确定度。
我国在嫦娥工程中（嫦娥3号和嫦娥4号）积累了在月球着陆的技术；但火星表面具有稀薄的大气，大气的影响使得火星着陆更为困难，增加了气动减速和伞系减速的环节，控制环节更为复杂。天问一号的着陆巡视器与环绕器分离后，进入火星大气，通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲，软着陆于火星表面。
火星大气的成分、密度、分布等与地球截然不同，火星大气进入过程的气动力、气动热问题对气动外形、结构、防热等设计十分关键，而我们的相应工程研究基础几乎为零。火星具有稀薄大气，着陆需要用降落伞减速，但火星的大气密度极低，并且需要在超音速条件下开伞，降落伞设计的约束条件与地球返回式卫星和载人航天工程采用的降落伞截然不同。
火星距离太阳的距离更远，平均太阳辐照强度只有地球的43%，对火星探测器的能源获取和热控提出了更高的要求。在火星上有沙尘天气，沙尘天气对火星车的能源、热控，以及活动机构和光学载荷的安全等都带来不利影响。沙尘天气使火星车的发电功率很低，太阳能电池发电量每日衰减0.1~0.3%，这些因素都给火星车的能源供给带来极大的挑战。
火星车的移动也面临许多不确知的环境，一是移动能力和火星表面构造的力学特性直接相关，而我们对这些特性知之甚少；二是火星表面石块等障碍分布密集，火星车以自主行驶为主，被石块卡滞的风险更大；三是火星表面温度交变频繁，存在沙尘天气，更容易发生车轮卡死失效；四是火星表面多石块环境对车轮轮缘的强度、耐磨性提出更高要求。
地球和火星的距离达到5600万~4亿公里，无线电信号的传输时延可达3~23min；在某些阶段，探测器和地面站的通信还会被太阳遮挡而中断；执行近火捕获、两器分离时，探测器距离地球约3亿km，信号时延15 min以上，由地面进行实时测控干预的条件已不存在，探测器必须自主执行预先注入的指令，对探测器自主导航、管理与控制的能力提出了更高要求。
探测器软着陆火星的进入、下降、着陆过程，地面无法实时干预，着陆舱需要根据预先注入的指令，自主进行导航、制导与控制。由于对火星环境缺乏了解，EDL过程面临的环境存在较大的不确定性，相比月球着陆，一是在进入火星大气初期，着陆舱的初始状态（轨道、姿态）存在一定的不确定性；二是在下降和着陆过程中，存在风和沙尘的干扰；三是由于缺乏着陆点地形细节的高分辨率图像，着陆敏感器的测量结果存在很大的不确定性。
火星车巡视探测，由于信号时延大，且受中继通信时段的限制，巡视的自主导航、制导与控制成为实现探测的前提，特别是对障碍的自主识别和路径的自主规划提出了更高的要求。
天问一号火星探测器共包含13类载荷，有效载荷类型多，探测方式多样，既有环绕器遥感探测，又有火星车的巡视探测，火星车有效载荷探测数据由环绕器中继下传，传输方式和传输距离与探月工程、近地卫星都存在较大差异。
火星探测距离的增大也给满足任务需求的测控和数传能力提了更高的要求。轨道器与巡视器的器间通信链路，与一般的地球中继卫星等有一些显著不同的特点，即通信距离比较远、信噪比低、信道条件恶劣、通信环境比较复杂。
测控系统基于现有航天测控网和深空测控网（包括北京航天飞行控制中心、佳木斯66 m口径天线测控站、喀什35 m口径天线测控站、阿根廷35 m口径天线测控站），并在喀什深空站补充建设3副35 m口径天线与已有天线组成天线阵系统，数据下行达等效66 m口径天线的能力（设计值），辅以甚长基线干涉测轨（VLBI）分系统和必要的国际联网，完成火星探测器状态监视、轨道测量、飞行控制、在轨管理和应急处置等任务。
地面应用系统在天津武清新建1副70 m口径天线，与已有地面数据接收天线进行组阵，达到等效80 m口径天线的数据接收能力（设计值），确保科学数据的可靠接收，并进行处理、解译，形成标准格式的数据产品，组织开展科学数据的应用和研究。
火星探测是继月球探测之后深空探测的最大热点，是未来载人行星探测的重要目标。我国火星探测任务起步虽晚，但起点较高，通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视，实现跨越发展。
期待天问一号任务圆满成功！
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