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我国最新发布了 “十三五”时期的科技成绩单 ， 不得不提的是 ， 中国制造强国建设在 “十三五”时期取得的显著成就 。
请大家跟随小编 ， 一起走进这些记入史册的科学进展 ， 了解这些年 ， 我们国家及科学家们在科技创新中所不断付出的努力 ， 及如何引领中国制造的不断升级 。
第三篇分享的是2020年重大科技成就——首颗火星探测器“天问一号”发射成功：内容节选自《中学科技》2020年第9期的系列文章 。
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继月球之后 ， 火星是人类进入宇宙的下一站 。 “天问”一号是中国派往太阳系其他行星的第一位使者 ， 它代表了我国探索宇宙的勇气和决心 。
——火星之路有“天问”
在奔赴火星的途中 ， “天问一号”一直处于高速飞行状态 。 进入火星大气时 ， “天问一号”的速度将高达4800米/秒 ， 然而 ， 以如此快的速度冲进火星到着陆仅7~8分钟……
——冲向火星的“天问一号”
在2020年的火星探测窗口期 ， 各国发射的三个火星探测器中 ， “天问一号”技术水平很高 ， 是最复杂的探测器 。 它的任务难度也是最高的 。
——技高作“天问”
火星路上首现“黄色拥挤”
相比以往 ， 2020年前往火星的这条“高速公路”显得格外繁忙 。 除了中国的“天问”一号 ， 还有阿联酋的“希望”号、美国的“毅力”号都在7月20～30日这短短的10天里相继发射 ， 为什么各国都挤在这几天发射呢？
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这是因为地球到火星的这条“高速公路”并非每天开放 。 地球和火星分别是离太阳第三和第四近的行星 ， 以不同的线速度在各自的椭圆轨道上绕太阳公转 。 两者间的距离并不是恒定的 ， 最近时相距约5460万千米 ， 最远时则大约相距4.01亿千米 。 人们都希望能在它俩相距较近时向火星发射探测器 ， 而火星与地球相接近的情况平均隔26.3个月才会出现一次 ， 这在天文学上叫作会合周期 。 而可被有效利用于火星探测器发射的时间只有1个月左右 ， 这在航天领域被称作发射窗口 。 2020年7月中旬～8月中旬 ， 正好是一个发射窗口 。
那这些探测器都挤在这一时期发射 ， 会不会相撞啊？
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这倒不必担心 。 首先 ， 太空非常空旷 ， 如果说地球是一个直径为12厘米的实心球的话 ， 火星差不多是550米外的一颗网球 ， 在这中间即便是一张A4纸那么厚的距离 ， 放大到实际尺寸也相当于10千米宽 。 其次 ， 离开地球后的探测器速度至少达到每秒10千米 ， 隔一天发射就意味着距离上相差90万千米 ， 这个“车距”足够大了 。 更重要的是 ， 每个探测器都在自己的特定轨道上 。 也就是说 ， 即便走的是同一条高速公路 ， 大家也都是各行其道 ， 不会相撞的 。
用最少的燃料前往火星
前往火星路途遥远 ， 时间与成本都是不得不考虑的问题 。 探测器是无法自行摆脱地球的引力 ， 必须“乘坐”火箭离开地球的 。 “天问”一号所搭乘的长征五号遥四运载火箭 ， 发射重量达到870吨左右 ， 但被送入火星转移轨道的“天问”一号探测器却只有5.2吨左右 。 航天器自重越大 ， 或者它想携带更多的燃料 ， 那么火箭在发射时背负的燃料也要更多 ， 起飞重量又会大大增加 。
怎样才能做到成本又低 ， 且行程时间上也能接受呢？德国物理学家瓦尔特·霍曼提出 ， 若航天器能沿着一条与地球轨道外切并与火星轨道内切的大椭圆轨道运行 ， 那么期间最少只需两次点火就能到达火星（离开地球轨道时和到达火星轨道时） 。
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这就好比开车只要起步时猛踩油门 ， 到目的地前踩刹车 ， 而中间段几乎全部使用惯性滑行 ， 自然是最为节省燃料 。 因此 ， 我们必须找准时机 ， 不能坐等地球和火星到达最近位置再发射 ， 必须“笨鸟先飞” 。 当火星位于地球前方呈44°左右时 ， 就用大推力火箭把探测器精准地送入霍曼转移轨道 ， 这样才能保证它在几个月后与亿万千米外的火星邂逅 。 然而 ， 霍曼转移轨道仅解决了到达火星附近 ， 要想环绕火星飞行或在火星表面着陆 ， 还必须让探测器在合适的时间、合适的地点实施制动 ， 进入火星引力范围 ， 随后再择机调整轨道高度 ， 释放着陆器 ， 在火星表面寻找合适的地点降落 。
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具体实施的过程远比上面这段描述更为复杂 ， 探测器所走的路径也并非理论上的霍曼转移轨道 ， 而是准霍曼轨道 。 “胖五”的任务就是把“天问”一号准确地送上通往火星的准霍曼轨道 。
进入火星轨道
利用火箭助推 ， 航天器获得摆脱地球引力的能量 ， 并使用精心设计的霍曼转移轨道 ， 航天器才能最终抵达火星附近 。 这期间要不断修正航线 ， 并警惕各种危险 ， 比如太阳风暴 。
当航天器顺利飞行大约200天后 ， 终于靠近火星 ， 这时它需要成功被火星引力场捕获 ， 成为火星的卫星 ， 才能到达火星 。 在航天器从地球飞向火星的过程中 ， 能被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会仅有一次 。 如果捕获失败 ， 航天器将会与火星擦肩而过 。
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地球的第一宇宙速度（又称环绕速度）为7.9千米/秒 ， 第二宇宙速度（又称逃逸速度）为11.2千米/秒 ， 要想离开地球必须超过第二宇宙速度 。 当航天器到达火星附近时 ， 若它相对于火星的速度太高 ， 会无法被火星的引力俘获 ， 结果要么与火星擦肩而过 ， 要么撞上火星 。
那么如何才能确保航天器顺利入轨呢？关键就在于航天器在霍曼转移轨道上的第二次点火 ， 目的是“踩刹车” 。
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科学家和工程师会精心计算航天器的轨道 ， 并在一个恰当的时候让它调转身体 ， 反向点燃发动机 ， 全力制动 ， 直到与火星的相对速度达到3.6～5.03千米/秒 ， 这时航天器才算是被火星引力俘获 ， 成为火星的卫星 。 这个过程速度的降幅非常大 ， 发动机要连续点火14分钟 ， 这对发动机的可靠性提出了相当高的要求 ， 同时 ， 对航天器的位置和速度的测定也要十分精确 ， 发动机点火时间差之毫厘都可能会造成任务失败 。
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然而 ，届时地球与火星相距约2亿千米 ， 无线电信号单程需要花费10分钟 ， 一来一回“对话”要20分钟 ， 我们根本无法在地球上对航天器进行实时遥控 。 而且航天器与地面通信还存在独特的“日凌”现象 ， 即当航天器、地球和太阳位置处于同一直线时 ， 太阳辐射会干扰地火之间的射频信号传输 ， 导致通信中断 。
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本次“天问”一号火星探测任务最长“日凌”可达30天 ， 这时的火星环绕器在太空中 ， 就像没有GPS信号的轮船漂泊在茫茫大海上 。 这就要求“天问”一号有颗聪明的大脑 ， 具备自主定位能力 ， 自行判断当前的方位、距离、速度、姿态 ， 实时调整刹车的时机和持续时间 。 这还不算完 。 “天问”一号还要释放着陆器在火星实施软着陆 ， 对着陆器而言 ， 最为惊心动魄的历险才刚刚开始 。
“天问一号”任务难度高
“天问一号”计划通过一次发射任务 ， 实现对火星环绕探测、着陆和巡视探测 ， 也就是“绕落巡”探测 。 它包括环绕火星探测的轨道器、火星着陆器和巡视探测的火星车 。 有的发射任务 ， 只是环绕火星探测 ， 难度最低；三个都有的难度最高 。
我国第一个火星探测器其实是“萤火一号” ， 它在2011年搭乘俄罗斯火箭前往火星 ， 最终因变轨失败 ， 未能抵达目的地 。 它就是一个环绕火星的探测器 。 像印度就用自己的月球环绕探测器“月船一号”改装成了火星探测器“曼加里安号” 。 火星着陆探测的难度要高得多 。 像苏联1971年发射的“火星三号”着陆器 ， 虽然成功落到火星表面 ， 但传送了14.5秒信号后 ， 就失去了联系 ， 很难说是不是着陆时已经受损 。 欧洲航天局2003年发射的“火星快车”和2016年抵达火星的痕量气体轨道器（TGO）都释放过小型着陆器 ， 但两次着陆都失败了 。
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火星着陆难度高 ， 主要是因为稀薄的大气层给着陆器的进入造成了障碍 。 火星大气密度只有地球大气层的1%左右 ， 但着陆器高速进入时 ， 仍会产生高温摩擦热流 ， 必须进行防护；而大气层的密度对于气动减速来说又太低 ， 换句话说大气提供的阻力不够 ， 用大型超声速降落伞进行减速都有些力不从心 。 因此 ， 火星着陆器要综合使用防热大底、超声速减速伞和反推火箭等三种技术手段 ， 才能完成着陆 ， 比地球着陆和月球着陆都要复杂得多 。
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火星平均气温-60℃ ， 极限低温-125℃ ， 气候很不稳定 ， 表面气温交变频繁 ， 还有火星特有的大沙暴 ， 会遮挡阳光 ， 导致火星车的太阳翼发电能力下降 ， 影响火星车正常工作 。 不过 ， 火星跟月球相比 ， 冷热温差不算大 ， 且不像月球还有长达14天的寒冷月夜 ， 因此火星车的难度未必比月球车大 。 火星车成功的主要障碍 ， 还是着陆这一关 。
其实 ， “天问一号”采用最复杂的“绕落巡”方式 ， 是资金和进度压力下的选择 。 毕竟火星任务发射周期780天 ， 我国实在没有时间按照轨道器、着陆器再到巡视器的节奏一步步来 。 加上携带了一个240千克的大型火星车 ， “天问一号”的总体方案和任务实施是极为复杂的 ， 目前人类火星探测历史上还找不到这么复杂的探测器！毫不夸张地说 ， “天问一号”不仅是我国火星探测的一大步 ， 也是人类火星探测的一个里程碑 。
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“天问一号”技术水平高
“天问一号”的轨道器重约3.6吨 ， 其中很大一部分是燃料 。 它是着陆器和火星车的母体 ， 要携带着这两个设备变轨减速进入火星轨道 。 但它本身的探测载荷也是一流的 。
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轨道器主要着眼于对火星开展总体性和全球性的科学探测 ， 为此携带了7种科学仪器 ， 包括中分辨率相机、高分辨率相机、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以及火星能量粒子分析仪 。
火星是否存在水资源 ， 是关系火星科考价值和未来殖民大业的关键问题 。 次表层探测雷达 ， 就是用于对火星次表层土壤结构和极区冰层结构进行探测 。 它对土壤结构的探测深度可达100米 ， 而对冰层的探测深度可达1000米 ， 是了解火星地下结构的利器 ， 更是确定火星地上和地下是否存在水冰的关键 。
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火星矿物光谱分析仪 ， 通过光谱探测火星表面矿物的成份 ， 不仅有助于选定火星车的具体落区 ， 也是“找矿”的好帮手 。
火星磁强计 ， 是探测火星空间磁场的重要设备 。 通过对火星磁场的立体动态观测 ， 可以研究火星电离层和火星磁场的动态变化过程 ， 探测和研究火星的内部构造 。 对火星磁场的探测 ， 还有助于我们了解火星磁场和气候变化的演进历史 。
轨道器携带的相机尤为出色 。 多光谱中分辨率相机 ， 在400千米高度分辨率优于100米 ， 用于绘制火星全球的遥感影像图 ， 研究火星的地形地貌和地质构造 。 高分辨率遥感相机在近火点265千米高度的分辨率优于0.5米 ， 性能仅次于美国火星勘测轨道飞行器（MRO）的HiRISE高分辨率相机 ， 几乎是技压群雄 。
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“天问一号”的平台性能值得一提 。 火星探测的一个巨大障碍就是地火距离远 ， 最远时距离是地月距离的1000倍 。 地球以10千瓦功率发射的电波 ， 到火星就只剩0.1毫瓦了 。 “天问一号”轨道器配置了大口径的高增益天线 ， 收发来自地球的微弱电波 。 它还要承担火星表面的火星车与地球测控站之间的通信中继任务 。 它和地面应用系统配合 ， 地面站最高可以达到4096kbps（4兆）的通信带宽 ， 这样的通信能力在火星探测器中是数一数二的顶尖水平 。
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“天问一号”探测器携带的火星车也很优秀 ， 体积和质量比声名赫赫的“勇气号”和“机遇号”都大得多 。 它的质量高达240千克 ， 是人类有史以来第三大的火星车 。 它安装了导航相机、多光谱相机、次表层雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪和气象测量仪等6种探测仪器 ， 火星车将对火星着陆和巡视区域的地形地貌、地质构造和地下水冰进行探查 ， 同时探测火星表面矿物岩石的元素成分 ， 并对火星大气和磁场等环境因素进行探测 。
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【火星|“十三五”科技成果回顾——火星探测篇】让我们一起期待收到“天问一号”来自火星的捷报吧！
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