揭秘天问一号：我国星际探测征程迈出重要一步

天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？

2300多年前，爱国诗人屈原仰望星空，赋诗《天问》向世界万物提出177个问题，表达了中华民族追求真理的坚韧与执着。

2300多年后，中国航天人用实践探寻自然和宇宙空间的奥秘，将行星探测任务命名为“天问”系列，寓意追求科学创新永无止境。

十年磨一剑。2020年7月23日12时41分，我国首颗火星探测器天问一号成功发射。在经过长达7个月、累计202天、4.75亿公里的漫长飞行之后， 天问一号于2021年2月10日19时52分，精准实施近火制动捕获，中国航天探测器首次到达火星。

5月15日7时18分，天问一号探测器成功在火星乌托邦平原南部软着陆，中国成为世界上第二个成功将探测器送上火星的国家。

中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在贺电中指出，天问一号探测器着陆火星，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，在火星上首次留下中国人的印迹，这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

早在嫦娥一号任务取得圆满成功之后，业内专家即开始谋划我国深空探测后续发展。打头阵的天问一号探测器奔向何方？

2010年8月，8位院士联名向国家建议，开展月球以远深空探测的综合论证，国家有关部门立即组织专家组进行了发展规划和实施方案论证，多位院士、专家团队积极参与论证工作，对实施方案进行了三轮迭代和深化。2016年1月，我国首次火星探测任务经党中央、国务院批准立项。

我国首次火星探测任务起步虽晚，但起点高、跨越大，从立项伊始就瞄准当前世界先进水平确定任务目标，明确提出在国际上首次通过一次发射，完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。

中国深空探测晚起步，但起点高，底气何来？

截至6月6日，祝融号火星车在火星表面已工作23个火星日，开展环境感知、火面移动、科学探测，所有科学载荷设备均已开机工作，获取科学数据。环绕器运行在周期8.2小时的中继轨道，为火星车科学探测提供中继通信。

6月7日，国家航天局发布我国首次火星探测天问一号任务着陆区域高分影像图。图像中天问一号着陆平台、祝融号火星车及周边区域情况清晰可见。

首次火星探测任务于2016年1月经党中央、国务院批准立项，由国家航天局组织实施。具体由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用等五大系统组成。

此次任务，工程总体单位为国家航天局探月与航天工程中心，中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制运载火箭系统，中国空间技术研究院和上海航天技术研究院抓总研制探测器系统。中国卫星发射测控系统部负责组织实施发射、测控。中国科学院国家天文台抓总研制地面应用系统，负责科学数据接收、处理、存储管理等工作。

近日，《中国经济周刊》记者独家对话天问一号火星环绕器副总指挥、上海航天技术研究院褚英志及其团队骨干，探访我国首次探火任务背后的故事。

和蓝色地球最相似的橙色火星

“我们探测火星可以探寻太阳系行星起源和演化等问题，可以更好地了解地球，同时也在宇宙中寻找第二家园。”褚英志对《中国经济周刊》说。

在太阳系八大行星中，蓝色地球与太阳的距离第三近，橙色火星离太阳第四近。地球和火星这对“邻居”之间，距离最远时约4亿千米，最近时约5600万千米。

火星半径约为地球的一半，重力为地球的38%。尽管面积较小，但火星的陆地面积约等于地球各大洲的表面积。这意味着，至少从理论上讲，火星具有相同数量的可居住土地。

多年来，火星都是人类深空探测的热点。从20世纪60年代开始，人类共实施了45次火星探测任务。除月球之外，火星是最受关注的天体。

在太阳系中，火星和地球最为相似。两者自转周期相似，一个火星日约为24小时39分钟。两者一样有四季更迭。

火星上存在大气、水、各种矿藏和氧化物。

现在掌握的火星情况可以为我们提供一个参考依据，这对认识地球的过去、现在和未来，有着不可替代的作用。

“经过探测我们发现，早前在火星表面发现水的区域，现在是荒漠，这样的变化可以给地球的演变提供参考，甚至让我们提前知道地球的未来。” 褚英志说。

三国同台竞技场—— “探测器坟场”

尽管人类对火星向往已久，但火星探测并非易事。火星被称为“探测器坟场”，在人类向火星发起的45次挑战中，成功率仅为40%。

褚英志向《中国经济周刊》介绍，探火任务的超高难度，首先来自远距离。“相对于月球，火星和地球之间的距离更远。目前，天问一号在距离地球大约3.5亿公里的地方，是地球到月球距离的100多倍。”

其次，难度来自温度的变化。褚英志解释说，火星在最低轨道上的光照强度为500多瓦每平方米，仅为地球轨道的一半还不到。“探测器从地球出发，相当于离太阳又远了，接收到的阳光也会逐渐变少。探测器在远赴火星的过程中，像从穿T恤的环境去了需要穿羽绒服的地方。”

同时，光强变弱也意味着发电能力减少。“飞行器接收到的光强会从约1350瓦降到500瓦，减少了一半还多，这种条件下，飞行器还要能够有效发电，发足够的电。”

此外，飞行器还要面对单粒子翻转等无法提前预知的各种问题。单粒子翻转指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态翻转的现象。

值得注意的是，探测器到达火星后，在其表面着陆的难度非常大。火星大气稀薄且受季节、夜昼、火星风暴等影响，非常不稳定;火星表面地形复杂，遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物;火星尘暴也较地球更为严重。这些因素都会给着陆火星带来很大风险。

曾有人比喻称，要让探测器在火星精准着陆，相当于从法国巴黎击出高尔夫球，落在日本东京的一个洞里。

2020年7月，火星探测时隔26个月后再次迎来发射窗口期。来自3个国家的3台火星探测器相继升空，奔向火星。它们分别是中国的天问一号、美国的毅力号和阿联酋的希望号，这也被称为三国火星探测器同台竞技。

此次，希望号的目标是环绕火星研究火星大气，而天问一号和毅力号的目标都是登陆火星。2021年2月，希望号与天问一号进入环火轨道，毅力号成功降落火星表面。

在谈及三国航天器同场竞技时，褚英志自信地说：“我们能在3个国家同时进行火星探测时，这么圆满地完成任务，得益于国家整体科研技术水平的提升。”

从“搭车”去火星到自主深空探测

据介绍，在此次独立开展探火任务之前，我国曾以国际交流合作的形式，尝试“搭车”去火星，而褚英志正是我国两次探火任务的亲历者。

2011年11月8日，中国研制的萤火一号探测器和俄罗斯的“福布斯-土壤”探测器一起搭乘俄罗斯运载火箭向火星进军。

任务中，“福布斯-土壤”探测器未能按计划进行变轨，随后俄航局宣布放弃获取探测器信号的尝试，任务以失败告终。

此后，我国决心自主开展火星探测任务。褚英志说：“我们从设计之初，就本着独立自主、自力更生的原则。天问一号上的单机绝大部分都是国产。这充分体现了我们国家航天领域在元器件、原材料、装备加工等方面都具备了一定能力，达到了一定的水平。”

天问一号是我国第一个火星探测器，将对火星进行首次环绕、着陆和巡视，主要任务即为“绕、着、巡”。一般来说，三步骤任务会被分开进行，以降低难度。在深空探测领域提前起步几十年的美国，不止尝试过在一次任务中进行火星着陆和巡视探测。我国首次独立探火就三步一气呵成，难度被称为是“殿堂级别”。

为满足任务要求，天问一号由环绕器和着陆巡视器组成，功能上更是身兼数职。

环绕器在太空“分饰多角”，具备三大功能，分别为：飞行器、通信器和探测器。着陆巡视器由进入舱和祝融号火星车组成。进入舱负责火星进入、下降和着陆任务;火星车配置了多种科学载荷，在着陆区开展科学巡视探测。

在探火过程中，天问一号主要包括6个飞行阶段：发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段。

其中，“绕”主要由环绕器承担，它与着陆巡视器分离后继续环绕火星飞行，将探测火星土壤、表面和地下水冰，火星的地形地貌，调查和分析火星表面物质成分等。此外，环绕器还要为火星车提供通信支持。

“着”和“巡”由着陆器和火星车承担。着陆后，火星车将对着陆区的地形地貌、岩石成分以及环境气候进行探测，依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台，并进行巡视探测。

据褚英志向《中国经济周刊》介绍，天问一号环绕器上产品由1700余种、56000多只元器件组成，绝大多数都是自主研发的“国货”，有的元器件还是第一次在深空探测的飞行器上应用。

天问一号为何比毅力号早出发7天，却晚85天落火？

在此次火星探测窗口期内，共有来自3个国家的3台火星探测器相继升空，奔向火星。它们分别是中国的天问一号、美国的毅力号和阿联酋的希望号。

从发射时间上看，美国NASA的毅力号比我国的天问一号晚出发7天，但其在2021年2月19日，即到达火星的当天直接成功登陆火星。5月15日，天问一号成功着陆。明明早出发7天，却晚到达85天，这是为什么？