天问一号火星探测器的点点滴滴

　　根据目前的消息，＂天问一号＂火星探测器将在7月23日于海南文昌发射。这次火星探测任务一旦成功，中国将是人类历史是第二个成功将探测器降落在火星表面的国家。1976年美国的＂海盗号＂火星探测器是人类第一次将探测器登陆火星表面。当然了，苏联也在1971年声称成功把探测器降落在火星表面，不过除了苏联以外，别的国家一般公认此次着陆是失败的。
　　今年是火星年，7月份有三个火星探测器向火星发射。7月20日是阿联酋的＂希望号＂火星探测器已经顺利发射，进入地火转移轨道。而其后是中国的＂天问一号＂，美国的＂毅力号＂火星车将在月底发射。之所以都在7月份扎堆发射，这是由于火星公转轨道周期和地球不一样，因此每26个月会迎来一次发射窗口，在这个时间段发射火星探测器需要的燃料消耗较少，或者说，同样的火箭可以发射更重的火星探测器。今年7月份就是一个很好的机会，所以现在能看到三个火星探测器都急着赶着在本月发射的盛况。
　　天问一号发射后，将进入地火转移轨道，地火转移时间为203天，火星探测器将在路上飞行6个月零19天，在2021年2月11日（2021年大年三十）与火星交会。
　　为了保证对天问一号火星探测器的测控任务，西安测控中心喀什测控站的全新深空天线组阵，将在天问一号任务期间投入使用。
　　中科院国家天文台在天津武清站新建70米高性能接收天线(GRAS-4)，同时还有密云的50米天线和40米天线，以及昆明的40米天线，4个天线一起接受数据，然后进行信号合成，才能完成火星探测数据的接收任务。
　　目前中国在海外例如阿根廷也建立了测控站，和国内的测控站一起能保障天问一号的火星探测任务要求。不过综合中国整个火星任务的测控要求，在火星捕获制动的过程中，在近火点前约7分钟测控信号会出现遮挡，持续约41分钟。
　　阿根廷测控站
　　当然了，考虑到火星捕获制动时候地火距离已经有1.95亿公里，单程无线电信号传输时间就要10.8分钟，整个过程地面根本无法对天问一号进行实时控制，天问一号只能依赖自己的计算机控制3000牛推力的机动发动机，点火约14分钟，全自主完成。发动机点火时间是关键，点火时间过长将导致探测器减速过多，撞击火星，而时间过短速度太大，则无法被火星引力捕获，飞离火星。
　　天问一号由环绕器和着陆巡视器组成，总重5吨左右。进入火星轨道后，天问一号将环绕火星飞行，同时用环绕器上的摄像头观测火星表面，评估降落区域的环境，一旦时机合适，预计在2021年4月23日，将释放1285公斤的着陆巡视器，降落在火星表面，然后重达240公斤的火星车（巡视器）将在火星表面执行巡视任务。降落时间预计在2021年4月23日（中国航天日前夜）。
　　火星有大气，着陆器要降落在火星表面必须考虑大气摩擦带来的热量，因此必须有热护盾。而火星大气又十分稀薄，大气带来的减速效果不突出，因此需要在2马赫的速度就打开降落伞进行减速。着陆方式的选择，也是对探测器登陆火星的挑战。
　　4月23日，天问一号开始火星着陆的时候，地球和火星之间的距离差不多2.95亿公里，无线电信号单程需要16.5分多钟，因此着陆器必须依赖自身的计算机完成全部的导航、落点判断和着陆过程。进入火星大气层前5个小时，天问一号将开始降低轨道，环绕器和着陆巡视器分离。着陆巡视器进入大气层后，着陆分四个阶段：
　　300秒的气动减速阶段，依靠火星的空气阻力，将速度从每秒4.8公里减速到每秒460米，高度则从125公里降落到4公里左右。
　　然后就是抛掉球锥防热大底和球锥背罩，打开降落伞，依靠降落伞，将着陆器速度降低到每秒95米，整个过程大约90秒，高度降低到1.5公里。
　　下一个阶段是动力减速段，大约90秒钟，着陆器点燃7500牛的下降段发动机，使用激光雷达和微波雷达对高度和速度进行确认，将速度降低到每秒3.6米，高度降低到100米时候，进入着陆缓冲阶段。
　　着陆器在100米高度悬停，激光3D雷达扫描地形地貌，避开地面障碍物，自主着陆。最后这个悬停避障过程与嫦娥4号在月球上自动着陆过程类似。技术上已经经过验证。着陆瞬间，最后一点下降速度带来的冲击力，要靠四条着陆腿里的缓冲吸能材料缓冲掉，保证探测器不发生侧翻，平稳着陆在火星表面。
　　在地面的悬停避障实验装置
　　天问一号在火星的登陆1号地点着陆点在克里斯平原，这里是美国的海盗一号和探路者的着陆点附近。有理论认为克里斯平原在火星的赫斯伯利亚纪或早期亚马逊纪是湖或海，因为河谷都从较高的高原走向克里斯平原或相等高度区域，有些地表特征甚至显示了火星古代的海岸线。而克里斯平原往火星北方大平原开口，因此克里斯平原古代可能是一个大型海湾。二号地区是乌托邦平原，这里也是当年美国的海盗2号登陆火星的地点。乌托邦平原地势平坦，当然也有一些小的撞击坑、巨石之类障碍物，不过天问一号避开这些障碍物不成问题。乌托邦平原历史上曾经被也是被洪水所淹没，因此在这里着陆可以通过探测火星土壤下面结构来了解火星的地质历史。
　　天问一号的两个备选降落点
　　天问一号的巡视器，也就是我们说的火星车，重量为240公斤，最大速度每小时200米，导航速度时速40米，越障高度30厘米，最大爬坡角度30度。采用蓄电池和太阳能电池供应能源。在火星车顶部，还有一个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乙烷的物质储存能量。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。
　　火星车设计工作时间为90个火星日。火星车既可以与地球直接通信，也可以与环绕器通信。由于距离过于遥远，火星车与地球之间的通信码速率只有16bps，主要用于传输工程遥测判断状态。而火星车与环绕器的数据传输有两个波段，X波段的码速率最高有4Mbps，UHF波段的码速率最高2Mbps。火星车所获取的资料，将采取这种形式发送到环绕器上。
　　最后，罗列一下公开资料上的天问一号科学载荷：
　　环绕器：中分辨率相机，高分辨率相机（最高分辨率0.5米），环绕器表层探测雷达（探测火星表面土壤100米，极区冰层1000米深度的地下结构），火星次表层探测雷达，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。
　　这些仪器的作用是用来探测火星地形地貌，寻找表层和地下水冰，探测火星表面物质成分、土壤类型分布和结构，以及火星大气电离层分析。
　　火星车：地形相机，多光谱相机，火星车次表层探测雷达，火星表面成分探测仪，火星表面磁场探测仪，火星气象测量仪。
　　很明显，除了提供巡视区地形地貌信息外，这些仪器还用来探测巡视区的土壤结构、表面结构、矿物和岩石类型，以及水冰探查，大气物理特征和表面环境探测。