成功着陆！关于火星探测的所有问号，这篇文章都给你拉直

　　出品：科普中国
　　制作：中国科学院上海天文台（SHAO）天之文科传团队（吴徳 左文文 狄逸焕）
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心
　　2021年5月15日，在经历了296天的太空之旅后，天问一号成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部。
　　图片来源：中国航天
　　对于火星探测，你是不是还有很多问号？
　　从历史到现实，从技术难点到解决方案，在这篇文章里，我们将向你详细述说人类探索火星的故事。一、历史篇
　　1. 为什么要探测火星
　　仰望苍穹，漫漫宇宙中，我们是否孤独？是否在另一个星球上，也存在着和我们相似的生物和文明？
　　众多星球中，火星是备受关注的一颗。它是太阳系中从内往外第四颗行星，地球的邻居，与地球非常相似，直径约为地球的一半，质量约为地球的11%，火星日的长度与地球相当，而火星年的长度约为地球年的2倍。不少专家认为，火星曾经可能具有和地球相似的环境。因此开展火星探测和研究，不仅有助于探究火星，也有助于借此探究地球的过去和未来，为人类寻找可能的未来家园。
　　太阳系（图片来源：veer图库）
　　2. 人类对火星的认识
　　火星，看起来偏红， 荧光像火；它看起来的亮度经常发生变化；而且火星在天空中运动时，甚至会逆行，令人难以捉摸，古书上称之为＂荧惑星＂。
　　望远镜发明后，第一个使用望远镜观测星空的伽利略看到了火星，像一个小红点。随着望远镜的发展，人们可以分辨火星的一些细节特征。1877年，意大利天文学家斯基亚帕雷利发现火星地表从暗区延伸出许多线条，他称之为＂水道＂，后来被翻译成英文中的＂运河＂。1894年，一位富有的波士顿商人洛厄尔对＂火星运河＂很痴迷，他使用60厘米口径的望远镜探索火星，认为自己在火星上也看到了运河，并深信不疑。1908年，他出版了一本书《生命的栖居地——火星》。他在书中提出，在遥远的过去，火星上曾出现智慧生命，由此创建了一个科幻小说写作的新流派。
　　1938年的万圣节，一位美国喜剧演员奥尔森•威尔斯利用电台，将科幻小说中的一些情节，以紧急通告的方式发布——火星人已经攻击美国，在新泽西就有目击者。这可吓坏了几百万的美国人。
　　直到20世纪50年代，人们对火星人的恐惧才得以消停。人们对火星有了更多的科学认识，这些认识表明火星不可能存在地球生命，因为那里太冷太干燥。但是，火星和地球之间的相似之处如此有趣，很难排除火星上有其它形式生命存在的可能性。
　　那时，科学家和工程师们想要知道火星上是否有生命或者人类是否可以抵达火星，但技术上存在障碍。1957年，苏联发射成功首颗人造卫星，震惊了全世界，打开了太空探索的前沿。
　　借由火星探测器，我们知道了，火星上拥有太阳系最大最长的峡谷之一——水手峡谷，横跨大半个火星，长约4000千米，深达7千米。火星拥有太阳系最高的山峰——奥林帕斯火山，高度超过2万米，是地球上最高山峰珠穆朗玛峰的海拔高度的3倍多；我们对火星地表成分也有更多了解，找到了火星上水的痕迹 。二、技术篇：如何去往火星？
　　如何去往火星呢？先让我们回顾下如何离开地球。这件事就要从1665年的伦敦大瘟疫说起了：那时剑桥三一学院的牛顿在乡下自我隔离。传说中有一天牛顿在苹果树下思考时被一颗苹果砸中了脑袋，接着联想到月亮从没掉下来过，由此发现了万有引力定律。笔者一直很好奇这个传言的细节，而且高度怀疑牛顿被砸的那一刻可能只想着要把苹果有多远扔多远，有图为证！
　　牛顿大炮（图片来源：《自然哲学中的数学原理》）
　　我们都知道扔苹果的时候，用力越大，出手速度越快，苹果就扔得越远，但它早晚会掉到地上。那我们扔得再用力点，速度再快点呢？显然，它可以被扔得很远。理想假设下，只要出发速度够快，从北极扔到南极也未必不可能！如果我们再用力点呢？苹果就可以飞跃南极，甚至回到北极，回到我们出手的那个位置，接着再来＂亿＂遍。于是我们知道了，当苹果被扔出的速度超过某个速度时，它不再掉回地球，而环绕地球作圆周运动。这个速度被科学家们称之为＂第一宇宙速度＂（环绕速度），在地球上是7.9 千米/秒。月球绕着地球做高速圆周运动，这正是月亮不会掉下来的主要原因。
　　要离开地球的话，第一宇宙速度还不够，我们需要再加速，加速到第二宇宙速度（逃逸速度）约11.2 千米/秒。这时候才可以离开地球，那么需要付出的代价是什么呢？以阿波罗计划为例，运载火箭土星五号的全重是3000吨，仅能运送45~48吨的飞船到地月转移轨道，值得一提的是它在燃烧第一级时，每秒钟就烧掉13吨燃料，足够一辆家用小汽车绕地球四圈。
　　离开地球之后就可以踏上前往火星的道路了吗？还差点。
　　事实证明有个好的路线规划是能省很多燃料。1925年，沃尔特·霍曼博士就提出了利用太阳引力的霍曼转移轨道，这条线路最省能源。
　　飞行器从地球到火星沿霍曼轨道运行示意图（图片来源：作者提供）
　　他的思路是在地球轨道和火星轨道之间找到一条环绕太阳的椭圆路线。这个椭圆与地球轨道外切，同时与火星轨道内切。以出发时的地球为近日点，相对于太阳的速度最大，达到32.7千米/秒，以到达时的火星为远日点，相对于太阳的速度最小，只有21.5千米/秒。全过程只需要做两次加速，一次离开地球轨道，进入霍曼转移轨道，另一次离开霍曼转移轨道，进入火星轨道，需要从21.5千米/秒，加速到火星的公转速度24.5千米/秒。
　　不用做太多加速看起来很省燃料，但也真的很花时间。由于各探测窗口不同，各探测器使用的火箭性能和飞行方案不同，最终探测器的飞行距离达4到7亿千米，要飞行6到11个月不等。实际情况也很复杂，中间需要做很多的计算，只有大型专业的航天机构才能完成。
　　对此，《下一站火星》中有这样一个比喻：
　　＂这有点类似让一个人在滑翔机上（运动速度较快的地球）扔（发射）一粒小石子（探测器）， 在提前很远的地方（发射窗口），中间有风和空气影响（恒星和行星等各种引力源）， 准确穿过地面一辆左右前后运动（火星围绕太阳运动轨道倾角不同，有大偏心率）的小汽车（运动速度较慢的火星）天窗（引力影响范围，希尔球）后，再掉到司机的水杯里（环绕火星轨道）。 即便不考虑着陆，探测火星的难度已经可想而知。＂
　　飞行的时间长是一个方面，另一方面等待离开地球进入霍曼转移轨道的时机，也就是发射窗口，也很漫长。按霍曼的要求，这一时间窗口约每26个月才会出现一次，如果错过了就又是一次漫长的等待。而最近的发射窗口就是今年的7到8月份。三、难点篇：火星探测很难，为什么？
　　火星探测任务一般可分为环绕、着陆和巡视三类。环绕任务，即发射环绕火星运行的探测器，例如欧空局火星快车号、NASA的火星勘察轨道器；着陆任务则是使探测器着陆到火星上去，例如美国宇航局的凤凰号、洞察号探测器；巡视任务即能够在火星上进行巡视勘探的火星车，例如美国宇航局的旅居者号、勇气号、机遇号和好奇号火星车。
　　1960年，前苏联向火星发射了火星1A号探测器，它是人类探测火星的开端。1964年，美国成功发射水手4号火星探测器，它是历史上首个成功到达火星的探测器。从1960年的火星1A 号到2018年＂洞察号＂，人类共进行了40多次火星探测任务，包括了环绕、着陆、巡视任务，其中成功的任务仅占到约一半。那么，火星探测为什么这么难呢？
　　难点1——探测器发射窗口少
　　月球探测每年都有窗口期；火星距离地球非常遥远，每隔约26个月才有一次＂火星探测窗口＂，因此一旦错过窗口期，就只能再等两年。
　　难点2——测控和数传面临的困难大
　　放风筝的时候，风筝飞得再高，还有一根线在手中，那么，在飞向火星的漫漫长路上，探测器和地面之间也有＂一根线＂吗？
　　有的，这就是测控和数传。
　　测控和数传指的是地面测控站与探测器保持通讯，即利用地面测控系统对探测器进行定轨定位，利用地面台站向探测器发送遥控指令，接收探测器的科学探测数据。
　　深空测控通信的难点可以概括为信号空间衰减大、信号传输时延长、信号传播环境复杂以及高精度导航困难[2]。
　　难点2.1 信号空间衰减大，接收信号弱
　　深空探测器的测控通信需要面临距离遥远带来的一系列问题，探测器测控通信通常采用无线电信号进行信息传输，而无线电波以光速向外辐射，强度按照传播距离的平方衰减，故距离信号的发射源越远，强度越低[2]。
　　火星探测器和地球之间的距离非常遥远，最远达到4亿千米，是地月距离的1000倍。探测器发射的信号，通过遥远的距离传输到地球上的时候，信号强度已经严重衰减，通常采用更大口径的天线来接受微弱的信号。
　　难点2.2 信号传输时延长
　　月球探测的单程通信为1.3秒左右，基本上可以达到实时通信。而火星探测的最远单程通信时间为22分钟，地面人员不能及时对探测器进行控制，因此对探测器的自主控制提出了更高的要求。尤其是在降落火星时，仅仅7分钟之后探测器就将从环绕轨道降落到火星表面，测控人员根本来不及对探测的运行状态进行判断从而进行修正，只能依靠探测器自身的控制判断来进行着陆。
　　难点2.3 任务环境复杂
　　火星探测器距离遥远，无线电信号既要穿过地球的对流层和电离层，还要穿过火星的大气层，以及变化复杂的太阳等离子区，信号传播环境十分复杂。
　　难点2.4 高精度导航困难
　　火星探测器的轨道复杂、距离遥远、观测时间段不能连续覆盖，造成了探测器导航困难。探测器的巡航段、近火捕获以及火星着陆需要超高精度的导航技术，如果导航精度不高，探测器将有可能失联，或是在近火段与火星擦肩而过、进入火星大气烧毁或者直接撞到火星上去。
　　难点3——抵达火星难、着陆火星难
　　由于人类目前的运载火箭能力有限，不能运送太大的探测器到火星，所以探测火星的目标之一就是消耗最少的燃料，尽可能将更大质量的探测器送往火星。借助＂霍曼转移轨道＂，就可以使探测器从地球飞往火星消耗最少的能量。
　　由于火星距离遥远，在探测器的数月飞行过程中，会受到太阳系内多个天体的扰动，还有太阳风、空间辐射等复杂的影响，需要考虑的因素更多。火星距离地球最远为4亿千米，需要更高的轨道设计要求，轨道偏差一点，到了4亿千米都会被放大很多。
　　探测器抵达火星附近之后，需要被火星引力捕获才能环绕火星运行。而火星质量小、引力影响范围小，所以探测器在进行近火制动之后需要准确进入环火轨道，稍有偏差就有可能与火星擦肩而过或是在火星大气中焚毁。
　　登陆火星是最难的。目前，美国、俄罗斯、欧空局进行过火星着陆，但是只有美国完全成功过。即使是登陆月球，目前也只有美国、俄罗斯、中国成功过。
　　火星探测器进入大气层、下降和着陆段是火星探测中难度最大、风险最高的飞行阶段，需要探测器在短时间内完成高度气动减速、降落伞展开等机动动作。这个阶段的主要难点有：气动飞行减速难、火星表面避障难以及飞行验证困难[8]。
　　以近些年来的火星登陆任务为例，欧洲空间局（ESA）和俄罗斯联邦太空总署（Roscosmos）合作的斯基亚帕雷利EDM登陆器，计划于2016年10月19日登陆火星，但是由于登陆器与火星高速碰撞，导致任务失败。又比如，作为欧洲航天局2003年火星快车号任务的一部分，小猎犬2号着陆器在从火星快车号上释放出来后的第六天，进入火星大气层时失去所有联系。后来经过确认，着陆器成功登陆火星表面，但是因故未能完成部署开始运作。
　　火星探测器着陆地点（图片来源：NASA）
　　火星探测器登陆对于减速要求更高。火星探测器的信号从火星传到地球需要几十分钟，而探测器从运行轨道着陆到火星只需要7分钟，因此地面人员无法干预探测器的着陆过程，完全依靠探测器自身来控制选择。
　　探测器的着陆过程对探测器防热措施，降落伞、气囊或是缓冲发动机能否按程序工作，都至关重要。任何一个环节出现偏差，都将导致着陆失败。因此，必须精确控制探测器的各个程序，需要经历所谓的＂恐怖7分钟＂，才能成功软着陆。
　　目前探测器登陆火星的方式主要有三种：分别是腿式缓冲、气囊缓冲和空中吊车。美国的海盗号和凤凰号以及洞察号探测器均采用腿式缓冲的方式。勇气号和机遇号则是采用气囊缓冲的方式，气囊着陆适用于小型火星车，大一点的火星车就需要使用反冲发动机进行着陆。好奇号火星探测器由于质量非常大，只能采用最先进的空中吊车方式进行着陆。
　　好奇号火星车空中吊车（图片来源：NASA）四、技术篇：VLBI测轨分系统
　　火星探测器的跟踪和测定轨 ，目前主要采用基于地面无线电测量的测距、测速和甚长基线干涉（VLBI）测角三种手段[3]。
　　VLBI对探测器在垂直于视线方向上的位置变化有很高灵敏度,与视线方向具有高灵敏度的测距、测速形成互补，是火星探测器测定轨的必要手段，特别是在地火转移段、近火制动段等测定轨难度较大的测控弧段的优势更为明显[1]。
　　探测器进入近火制动段时，地火距离一般达到数亿千米，与月球探测器被捕获时的38万千米相比，距离增加了数倍。比如，VLBI时延测量误差1纳秒（0.3米），在3000千米的基线长度上，对数亿千米远的火星探测器在垂直于视线方向上的单点测轨误差约为几十千米，远大于视线方向的测距误差。VLBI时延测量精度的提高是火星探测器测定轨精度提高的关键环节。
　　为了提高VLBI时延测量精度，火星探测时一般差分单程定位（Delta Differential One-way Ranging; Delta-DOR）技术进行测控。测距、测速技术的目的是测量目标的视向距离和速度，而Delta-DOR技术则是测量目标的横向位置。1998年 ＂火星气候轨道器＂的失败清楚的表明了Delta-DOR技术对于深空探测器跟踪测轨的重要性。由于未使用VLBI技术，未能及时发现切平面误差增大的致命缺陷，最终任务失败。因此如果测控技术不是很成熟的话，探测火星的风险很大。
　　在＂嫦娥三号＂等任务中，利用由上海站、北京站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心组成的VLBI测轨分系统，和差分单程定位技术，将VLBI时延测量误差降至1纳秒以下。结合测速和测距数据，着陆器月面测定位和环月段的测定轨误差约50米，地月转移段和近月制动段的测定轨误差参数100米[1]。
　　差分单程定位型技术适合于单个探测器测定轨，而同波束VLBI技术则适用于多个探测器的精密测定轨。 所谓同波束干涉测量技术（Same Beam Interferometry, SBI），即用射电望远镜的主波束同时接收两个（或多个）探测器发送的信标，得到两个（或多个）探测器信标的相关相位，并在探测器间进行差分，由于信号传播路径基本相同，因此通过差分可以有效削弱信号传播路径上的大气、电离层以及设备等引起的误差，从而得到高精度的探测器相对定轨定位结果[3]。五、＂天问一号＂篇
　　火星探测项目是中国继载人航天工程、嫦娥工程之后又一个重大空间探索项目，也是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动。
　　2016年1月，我国首次火星探测任务正式得到国家批准立项。
　　2020年7月，我国进行首次自主火星探测任务＂天问一号＂。
　　＂天问一号＂由我国目前最大运力的长征五号火箭进行发射。＂天问一号＂火星探测器将一次性实现环绕、着陆和巡视任务，分别由环绕器、着陆巡视器来完成。环绕器运行在环绕火星的轨道上，既可以自主进行全球性、综合性的环绕探测任务，也可以进行中继通信；着陆机构负责携带巡视器安全着陆到火星上去，巡视器负责在火星表面进行区域巡视探测。
　　长征五号遥三运载火箭（图片来源：中国航天科技集团）
　　写在最后
　　北京时间7月20日，中国火星探测任务＂天问一号＂在海南文昌发射基地发射升空，正式拉开我国行星探测的大幕。
　　2021年5月15日，＂天问一号＂成功着陆火星，中国成为继美国之外第二个掌握火星着陆巡视技术的国家，同时也是世界上首个探索火星便完成软着陆任务的国家。
　　火星探测器飞行效果图（图片来源：国家航天局）
　　＂天问一号＂火星探测任务，名字取自屈原长诗《天问》，任重道远，意义重大，虽难度极大，但中华民族充满信心，也做好了充足的科技准备，它承载着中华民族乃至全世界对真理追求的坚韧和执著。
　　参考资料：
　　[1] 刘庆会. 火星探测VLBI测定轨技术. 2018. 深空探测学报. 5, 5.
　　[2] 吴伟仁. 深空测控通信系统工程与技术.
　　[3] 刘庆会. 同波束VLBI技术在深空探测器测定轨中的应用. 遥测遥控.