中国首次自主火星探测任务天问一号将于2020年夏择机发射，目标是通过一次发射任务，实现火星环绕和着陆巡视，开展火星全球性和综合性探测，并对火星表面重点地区进行精细巡视勘查。这次任务过程复杂，亮点纷呈。
作者|贾阳
（中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师）
1、奔向火星
火星和地球一起围绕太阳旋转，它们就像在环形跑道上快速奔跑的两名运动员，地球在内圈略快，火星在外圈稍慢。再形象些，我们可以把它们想象成接力赛，什么时候从第一名运动员那里出发？沿着什么方向加速？到第二名运动员附近如何减速才最省力？这些都是需要精心考虑的问题。而在火星探测任务中，这项工作叫作轨道设计。
轨道设计中，一项重要的工作是发射窗口的分析，也就是确定探测器什么时候从地球出发。天体运动关系决定了需要大约26个月，才有一次发射火星探测器的最佳机会，因为这时候发射最省能量。既然是窗口，那就存在一定的时间宽度，在7月底到8月初的半个月，都存在发射机会，运载火箭的能力越强，发射窗口就越宽。
2、不走寻常路
着陆巡视器外观设计构形图
开展火星探测，可以发射环绕器进行火星遥感探测，也可以单独发射火星车，实现巡视探测。中国首次自主火星探测任务，将通过一次发射，实现“绕”“着”“巡”三个目标。
探测器将由长征五号运载火箭发射至地火转移轨道，与运载火箭分离后，探测器将进行轨道机动，在距离火星400千米处制动，被火星捕获，成为火星的人造卫星。
运行一段时间之后，着陆的时机到来了，着陆巡视器与环绕器分离。着陆巡视器进入火星大气，利用气动、降落伞、发动机三级减速和着陆腿的缓冲作用，软着陆于火星表面。最后，火星车驶离着陆平台，在火星表面开始巡视探测。
3、着陆火星
火星车与着陆平台分离
这次火星探测任务中，最令人紧张的就是着陆前的8分钟。
首先，探测器会瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊——角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈，角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。接下来的气动减速段是最主要的减速阶段，进入火星大气时，探测器的速度可达每秒4.8千米，大约5分钟的减速之后，速度只剩下每秒460米。
接着，专门开发的火星专用降落伞展开，进入舱的速度进一步下降到不到每秒100米，这一分多钟时间比较关注火星大气层中风的速度和方向，因为风太大影响着陆点的精度，甚至影响着陆安全。
再继续，降落伞完成使命，探测器把大底和背罩抛掉，露出着陆平台和火星车。平台上的大推力发动机开始工作，进一步减速，高度100米的时候速度基本上降到零，便于探测器观察地面，寻找最安全的具体着陆地点。
最后一点能量，要靠四条着陆腿里的缓冲吸能材料，把着陆时的冲击力缓冲掉，保证探测器不发生侧翻，平稳着陆在火星表面。
整个过程，短暂又复杂，地面没有干预的机会，完全靠探测器自主决定各个动作执行的时机。
4、火星车登场
火星车开展工作（供图/贾阳）
轮到中国第一辆火星车闪亮登场了。它有四片深蓝色的翅膀，浑身金黄，两根天线展开，就像蝴蝶的两个触角，整体视觉感受，就像是一只蓝色闪蝶。它昂头向前，首先勇敢地行驶到梯子上，然后稳健地行驶到火星表面，在火星的表面留下了两道车辙。不过，这个过程需要大约一周时间才能完成。至于火星车要向哪个方向行驶，现在谁也不知道，因为这需要地面的科学家根据拍摄的图像，判断哪里有感兴趣的目标，然后才能确定火星车的行驶方向。
受能源和通信限制，火星车不能满负荷工作。每天午后是火星车工作的时间，这个时间火星表面温度最高，探测仪器的温度相对最舒服，对火星车而言就是最省能源。
白天，火星表面阳光充足时，火星车会利用太阳能电池发出的电能，一部分用于工作，一部分储存在蓄电池中；到了夜晚，太阳落山，火星车利用储存的电能，继续工作。但是这还不够。因为光能转换成电能，效率只有30%，大部分能量被损失掉了。有没有效率更高的办法呢？
在火星车顶部，像双筒望远镜样子的设备，叫作集热窗，它可以直接吸收太阳能，然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天，火星温度升高，这种物质吸热融化，到了晚上，温度下降，这种物质在凝固的过程中，释放热能，这样效率可以达到80%以上。
本文节选自《知识就是力量》2020年7月刊
本文来自：《知识就是力量》杂志社
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