公元2021年2月10日19时52分 ， 我国首个独立自主火星任务天问一号探测器启动3000N轨控主发动机 ， 点火工作15分钟 ， 消耗约900公斤燃料后成功进入近拱点400公里远拱点约18万公里的环绕火星运行轨道 ， 轨道周期约10个地球日 ， 倾角约10° ， 成为我国第一个火星人造卫星 。
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近火制动效果图
天问一号近火制动捕获任务的成功标志着在人类进入火星探测时代近半世纪之后我国终于实现火星探测的零突破 。
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火星我们来了！
此前印度曼加里安号以及刚入轨火星的阿联酋希望号两艘探测器在深空测控、入轨发射、探测器研制等领域皆深度依赖外部支援 ， 而天问一号任务的探测器研制、入轨发射、深空测控皆自主实施 ， 因此我国是世界上第三个独立掌握火星探测能力的国家 。
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阿联酋希望号火星探测器
虽然起步晚但天问一号的高起点却刷新了纪录 ， 今年尤其是本月总计有三艘火星飞船已经或即将抵达火星 ， 分别是阿联酋希望号、我国天问一号、NASA毅力号 ， 希望号是环绕火星运行的卫星 ， 毅力号则是单纯用于火面巡视探测的火星车 ， 唯有天问一号一箭三雕 ， 旨在通过一次任务连续实现针对火星的环绕、着陆、巡视三合一探测 。
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毅力号
纵观人类火星探测历史 ， 火星2号与火星3号两艘飞船也曾寄希望一步实现绕落巡探测 ， 但由于早期人类航天深空探测经验匮乏加上技术不够成熟 ， 因此双双折戟 ， 天问一号与之对比不论是探测器规模还是先进性都是跨越时代鸿沟的领先 。
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上世纪七十年代折戟火星的火星2号
众所周知从零到一历来是艰难的 ， 而天问一号则是在从未涉足火星的零基础上一步实现最高难度目标 ， 可谓是难上加难 。 那么 ， 这里面是否有好高骛远、好大喜功的因素呢？当然没有 ， 选择一步实现“绕、落、巡火星”是工程目标与工程实施条件相结合的产物 。
在嫦娥探月工程中我们是通过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号总计三次任务实现对月球的绕落巡 ， 那么火星探测为什么不能照搬这一策略呢？
首先火星发射窗口可不像月球那样每个月都有 ， 而是每26个月一次 ， 如果按部就班至少要等待四年才能完成发射任务 。
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天问一号由着陆巡视器与环绕器构成
再就是成本因素 ， 即便将天问一号的环绕器与着陆巡视器拆分成两次任务在同一发射窗口用两枚火箭实施连续发射 ， 那么探测器研发成本也将水涨船高 。
除了成本还有任务实施难度 ， 拆分发射意味着着陆巡视器进入火星大气的速度远远高于带有环绕器的天问一号 。
天问一号在正式实施火星登陆任务前要进行三次近火制动 ， 第一次近火制动旨在进入火星捕获轨道 ， 第二次近火制动则是进入大倾角停泊调向轨道 ， 第三次近火制动后轨道远拱点进一步降低 ， 进入到一条停泊轨道 。
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三次近火制动
【火星|天问一号入轨火星！点火刹车15分钟，21台发动机上演太空芭蕾】三次近火制动逐次降低了天问一号的轨道速度 ， 这样一来就减轻了着陆巡视器进入火星大气的减速压力 ， 同时三次近火制动后天问一号将在停泊轨道对着陆区进行预先探测 ， 环绕器搭载的中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达可获取着陆区高精度立体影像 ， 有助于地面团队遴选着陆点 。
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遴选着陆区
长征五号大型运载火箭高达5吨多的地火转移轨道发射能力也为发射人类有史以来最大规模探测器“天问一号”创造了条件 。
探测器研发、入轨发射对于我国航天而言并不存在无法逾越的瓶颈 ， 早在嫦娥二号任务时航天人就有计划在拓展任务阶段使其飞向火星 ， 进而成为一颗火星卫星 ， 但由于当时测控能力不足只得退而求其次 ， 在拓展任务阶段飞向深空的嫦娥二号最终只验证了一亿公里级深空测控能力 ， 显然无法满足火星任务最远4亿公里的测控通信需求 。
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嫦娥二号曾计划飞向火星
过去一段时期独立具备深空测控能力的国家实际上只有大洋彼岸一家 ， 俄罗斯深空网覆盖率不足 ， 欧空局也依赖NASA深空网 。
我国自嫦娥二号任务之后就加速布局深空测控网建设 ， 一张理想的深空测控网是每隔120度经线布置一座站点 ， 首先我们立足国内 ， 在疆域的东西两端建成了佳木斯、喀什两座深空站 ， 尔后布局南美阿根廷建设了萨帕拉深空站 ， 这样一来东西半球都有测控站位 ， 实现了90%的深空测控覆盖率 ， 测控距离最远已经可以触达太阳系边际空间 。
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佳木斯深空站
天问一号任务实施前后喀什深空站又新建了三座35米口径全可动深空天线与原有的一座35米口径天线组网运行 ， 达到了等效66米口径天线效果 。
现如今我们正在同步实施天宫载人空间站、月球探测、火星探测 ， 攻克天线组阵技术的天线阵列多任务适应能力要比单个大口径天线更高 。
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喀什深空站天线组阵
服务天问一号科学载荷数据传输的天津武清GRAS-4型亚洲最大70米口径天线日前也已经建成投入运行 ， 标志着服务火星探测的测控与数据收发工程全线收官 。
深空测控网还吸收了国家天文台的VLBI观测网进行干涉测量 ， 在这张天网支持下后续火星采样返回、小行星探测、其它行星际探测、太阳系边际探测等深空任务将更加事半功倍 。
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上海天马射电望远镜
以色列发射创世纪号月球登月器（失败）、印度发射月船-2号登月器（失败）、阿联酋发射希望号火星探测器（成功）……航天技术扩散的确使得一些国家实施深空探测任务的门槛大为降低 ， 但这些项目无一例外都离不开航天强国的体系支持 ， 离开体系都是无源之水 。
以阿联酋希望号火星探测器为例 ， 作为中东土豪国拿出2亿美元攒出一个航天器这不是难事 ， 然而支撑体系能力的天量投入即便是土豪国也负担不起 。
言归正传天问一号奔火旅程总计划分了五大阶段 ， 分别是发射入轨段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段 ， 目前发射入轨段、地火转移段、火星捕获段三大阶段性目标已经实现 ， 接下来就是火星停泊段 。
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天问一号环绕器
着陆巡视器登陆火星是天问一号的高光时刻 ， 然而将它送达火星的环绕器同样居功至伟 。
天问一号环绕器由航天科技八院抓总研制 ， 发射质量3.175吨 ， 在天问一号5吨总发射质量中占比63% ， 采用外部六面体+中心承力锥桶构型 ， 能够满足5个飞行阶段和11种飞行模式的设备布局需求 ， 它要背着着陆巡视器飞行数亿公里 ， 在地火转移期间进行4次中途修正和一次深空机动 ， 完成近火制动后还要在火星轨道实施多次机动变轨 ， 犹如太空芭蕾 。
上演太空芭蕾的执行机构是环绕器配置的21台发动机 ， 分别是1台3000N轨控主发动机、8台120N发动机、12台25N发动机 ， 其中3000N轨控发动机与嫦娥五号轨道器3000N轨控发动机属于同系列产品 。
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环绕器配置的3000N轨控主发动机
与着陆巡视器分离后环绕器紧接着就要实施第四次近火制动进入中继轨道 ， 它将在火星车三个火星月工程计划阶段发挥中继通信作用 ， 环绕器配置的大口径两维驱动天线将在地球与火星车之间充当通信节点 。
中继通信任务期间环绕器的副业是环火星遥感探测 ， 三个火星月之后环绕器再次变轨至遥感轨道 ， 此时中继通信将成为副业 ， 火星遥感探测则是主业 。
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中继通信轨道示意图
在三年设计寿命时间里环绕器将利用自身搭载的7大科学载荷看遍火星 ， 这些载荷分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪 。
各自功能：
中分辨率相机：获取火星表面中分辨率全球遥感彩色影像 ， 分辨率100米 ， 近火段连续覆盖成像；
高分辨率相机：获取火星表面优于0.5米的高分辨率全色影像 ， 以及优于2米分辨率的彩色影像 ， 近火段择机成像；
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环绕器光学成像载荷
次表层探测雷达：获取火星表层与次表层双频双极化雷达回波数据 ， 研究火星表面和内部结构 ， 并利用雷达回波数据测量星下点高度 ， 可结合遥感影像开展火星表面地形研究；
矿物光谱分析仪：获取火星表面可见和红外高分辨率反射光谱 ， 分析火星矿物与资源分布 ， 研究火星整体化学成分与演化历史；
磁强计：探测火星空间磁场环境 ， 研究火星电离层及磁鞘与太阳风磁场相互作用机制；
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离子与中性粒子分析仪
离子与中性粒子分析仪：对火星等离子体中的粒子特性进行研究 ， 分析火星大气的逃逸机理；研究太阳风与火星大气的相互作用 ， 以及火星激波附近中性粒子的加速机制；
能量粒子分析仪：绘制火星全球与地火转移轨道不同种类能量粒子辐射的空间分布图；与其他载荷联合研究近火星空间能量粒子辐射与大气的关系、太阳风暴能量粒子事件对火星大气逃逸的影响与相互作用的规律以及火星粒子加速与输运过程 。
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环绕器载荷控制器
七大科学载荷由环绕器载荷控制器统一控制 ， 将为人类全面而深入地更新火星知识体系 ， 使我国掌握火星探测话语权 。 除此之外再过两到三个月 ， 天问一号着陆巡视器成功登陆火星表面后我国将同时拥有两颗地外星球（火星与月球）的巡视器 ， 这在人类航天史上是第一次 。
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同时拥有两个地外星球的巡视器
今年除天问一号的近火捕获与着陆巡视火星外 ， 还有天宫空间站核心舱、神舟十二号、神舟十三号、天舟二号 ， 载人月球探测工程也将进入深水区 ， 年度宇航发射任务将超40次 ， 甚至更多 。
人们都说2020年是我国航天的超级年 ， 这并不恰当 ， 准确地说那只是一个开始 ， 因为往后的每一年重大任务重大工程都将接续不断 ， 星辰大海的时代已经来临 。
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