天問一號成功入軌 “問天”究竟有多難？－Ken641228的部落格

天問一號成功入軌

國傢航天局局長、此次火星探測任務工程總指揮張克儉宣佈環繞火星成功。至此，天問一號成為我國第一顆人造火星衛星，其“繞、著、巡”的三步計劃也順利開啟。

截至昨晚成功實施火星捕獲，天問一號已累計飛行 202 天，飛行裡程約 4.75 億千米，距離地球約 1.92 億千米，各系統狀態良好。

從地火轉移階段進入到火星捕獲階段後，天問一號攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷也將開始工作，對火星的多維度探測也要開始瞭。

國傢航天局表示：

後續天問一號還將經過多次軌道調整，進入火星停泊軌道，開展預選著陸區探測，計劃於 2021 年 5-6 月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。

對此，NASA 科學任務副局長 Thomas Zurbuchen 在推特上表示：

今日天問一號成功進入火星軌道，祝賀中國。火星仍有很多未解之謎等待著我們去探索，期待中國的成就！

除瞭 NASA，歐洲航天局也通過推特表示祝賀。

作為我國首個火星探測任務，天問一號自 2020 年 7 月 23 日成功發射以來備受關註，其成功入軌的消息迅速登上各大社交媒體熱榜。

網友紛紛表示：

科技強國！新春大禮包來瞭！
向天問一號送去我的新年祝福，新年快樂！
中國視角，中國榮譽。

天問一號任務有多難？

自上世紀 60 年代以來，探測火星就貫穿瞭人類航天史，但直到今天，全球范圍內火星探測任務成功率也還不足五成。

1960 年 10 月，前蘇聯連發史上首枚、第二枚探測器“火星 1A 號”和“火星 1B 號”，卻連地球軌道都未到達。

此後，前蘇聯和美國的探測器或發射失敗、或失去通信聯系、或被燒毀，多次嘗試均以失敗告終。

1964 年，失敗魔咒首次被打破。12 月 28 日發射的美國“水手 4 號”，於 7 個月後終於在距火星表面 9800 千米的上空掠過火星，向地球發回 21 張照片，這也是史上首個成功到達火星並發回數據的探測器。

70 年代，火星探測器（美國“水手 9 號”）才首次進入環繞火星軌道。

此後，日本、歐洲航天局、印度、阿聯酋、中國紛紛加入火星探測的隊伍，人類向火星發射航天器已有約 50 次——然而共有 11 次任務連地球引力范圍都沒突破，還有 5 次探測器中途失聯的情況。

據瞭解，火星探測任務主要有四個類型：一是簡單的飛掠，主要用於航天技術尚不成熟的階段；二是環繞，探測器通過制動減速進入火星軌道；三是著陸，在火星表面詳細研究；四是巡視，火星車將攜帶多項科學儀器進行自由巡視。

【圖源知乎答主@太空精釀】

而天問一號要做的是一次性完成環繞-著陸-巡視的任務，考慮到此前各國在火星探測方面的情況，其難度可見一斑。

此次任務之難，主要在於以下幾個層面：

其一，即便在窗口期，火星也依舊是一顆遙遠的星球，探測器攜帶有限燃料出遠門，為探測器飛行軌道的精密設計提瞭很高的要求。

其二，若探測器經過 6-7 個月漫漫旅途後順利進入火星軌道，能否被火星捕獲也是一大難點，切入點的遠近直接關系到探測器是被捕獲、掠過火星還是墜毀。

其三，整個任務最大的挑戰便是如何成功著陸火星。探測器將 4.8km/s 的速度降到 0，需要 7 分鐘左右，而這個過程也常被稱為“恐怖 7 分鐘”。何時減速、進入大氣的姿態與角度如何，都需要精準控制，但鑒於人類對火星的認知不足，加之地火之間單程無線電信號的延時問題，依靠地面指揮實屬不易。

幸運的是，天問一號已克服瞭兩大難題。

這裡需要解釋的是，昨夜天問一號之所以能被火星捕獲，關鍵在於一個動作——剎車。

根據機械能守恒定理，要造訪火星，天問一號這個“外來者”的機械能大於 0，但隻有設法減少機械能，天問一號才能進入軌道，否則可能出現飛掠火星的情況。

據中科院地質地球所，這種情況下隻能進行航空器剎車的操作：

當今航天器的剎車方法主要有兩種，一是利用行星大氣層阻力和空氣動力的“大氣剎車”，二是利用火箭發動機的反向推進剎車。
此次天問一號采取瞭後者——一方面，天問一號分為軌道器與著陸器（巡視器）兩大部分，軌道器要長期留在火星的穩定軌道上，不能一股腦地剎車；另一方面，我國對於火星大氣環境，包括密度分佈、溫度分佈、風場等等都知之甚少，美國在公開論文中給出的數據不夠精細，也不能輕信。

據瞭解，除瞭昨夜的第一次點火，天問一號還將會通過 2 次點火保證自己處於火星軌道上。

下圖是最初計劃的天問一號軌道機動示意。