天问一号奔火这一路

　　遂古之初，谁传道之？

　　上下未形，何由考之？

　　冥昭瞢闇，谁能极之？

　　天问一号的成功发射，标志着中国人也正式踏上行星探测的征程。

　　为了让天问一号顺利抵达火星并成功着陆，都要克服哪些问题？

　　相比抵达月球，抵达火星非常不易。火星公转周期687天，几乎是地球的1.9倍，地火距离因此不稳定，最远达4亿公里，最近也高达5400万公里，是相对稳定的地月距离的140多倍。

　　距离遥远多变，飞行距离长，想把探测器送到火星非常困难。

　　1925年，德国工程师瓦尔特-霍曼在书中提出了著名的霍曼转移轨道。简单说，就是以大于第二宇宙速度的速度将探测器顺着地球公转方向发射。根据开普勒第一定律，摆脱地球引力的探测器随后会以太阳为近焦点做椭圆轨道运动。

　　当发射速度够大，轨道远端就能与火星轨道相切。探测器在地球处于霍曼转移轨道的近日点时发射，进入“地火转移轨道”后，靠惯性飞行，然后在火星处于霍曼转移轨道的远日点时抵达。这就是目前从地球去火星最常见、省能量的方案。

　　为了更好利用地球自转速度，使航天器获得足够速度，天问一号选择从纬度更低的文昌航天发射场发射，在长征五号遥四运载火箭强大运载能力帮助下，2000多秒就能进入地火转移轨道。

　　但是，因为地火公转周期差，这种探测发射窗口期每26个月才出现一次，十分宝贵。这也是为什么美国和阿联酋也赶在去年7月发射了各自的探测器。

　　当然，刚刚是简化各种因素后的运算。为了与火星精准相遇，天问一号途中进行了四次轨道微调和一次大的轨道调整。在飞行4.75亿公里，实际用时202天后，终于在2021年2月10日实施近火捕获制动，成功降速进入火星轨道。监测相机也记录下这珍贵时刻。

　　随后，天问一号通过远火点平面机动，将轨道从环火星赤道转为环南北极，并在两次近火制动调整后，于2月24日进入火星停泊轨道。从高分辨率相机拍摄的清晰画面中，你能清楚看见火星表面环形坑、山脉等地貌特征。

　　随后三个月，探测器不断对火星地貌、气候和预着陆区的情况进行观测。待时机成熟，登陆火星。

　　登陆火星为何这么难？

　　相比50多年前载人登月，在过去60年间的近50次火星探索任务中，也仅有9个登陆器或火星车成功登陆。为什么会这么难？

　　主要问题就是减速。

　　根据以往数据，登陆器进入火星大气速度非常快，一般在16200～20000km/h。天问一号的进入速度估计约为17600km/h。

　　虽然火星大气的存在使登陆器能像卫星返回地球一样，利用大气摩擦做气动减速和降落伞减速。但火星大气的压力和密度只有地球的1%左右，十分稀薄，无法像地球大气一样提供足够的空气阻力。

　　所以，还需增加登月时常用的反推发动机动力减速和降落前的着陆缓冲，才能实现最终的软着陆。

　　而届时地火距离超3亿公里，通信时延超17分钟，远超着陆时间，一切情况只能靠登陆器自主判断，风险极大。任何环节稍有差错都会使登陆器因降速不足而坠毁。

　　同时，火星大气不稳定，尘暴较地球严重，影响着陆时参数的获取和确定。更不用提降落范围内，砂石遍布、崎岖不平的地表对最终着陆造成的挑战。

　　当然，火星复杂的环境对着陆点选择也提出了很高要求。这是基于火星全球探勘者号数据绘制的火星地形图，从深蓝到红到白代表海拔的递增。

　　为了延长登陆器在大气通过的行程，使减速时间更长，首先就要选择海拔较低、地势较平坦的地区。

　　其次，由于火星气温很低，平均在零下60摄氏度左右，最低可达零下140摄氏度，且温度随赤道向两极递减。所以为使设备获得足够温度和能源，通常选择南北纬30度以内，温度较高、日照较充足的地区。

　　同时，由于火星地表大面积覆盖松散的灰尘，有时可达4～5米。我们还需结合这样的热惯量图和热反照率图，寻找热惯量值较高，反照率较低，也就是灰尘较少，承重能力更强，利于登陆和行动的地区。

　　其实，参与任务的工程师在每次火星登陆任务发射前四五年，都会制定这样的着陆区工程限制条件表圈定范围。行星科学家们随后再根据科考目标，逐步缩小范围。

　　比如毅力号选择的杰泽罗陨石坑，就因地处古湖泊入口处，富含三角洲、流水地貌、沉积矿物和火山熔岩，从30多个地点中脱颖而出，成为最终选择。所以，在结合工程限制条件和科考目的后，天问一号最终选择了地势平坦、可能曾是海洋的乌托邦平原登陆。

　　2021年5月15日7时18分，天问一号成功在乌托邦平原南部着陆，完成“落”的目标，正式点燃中国人行星探测的火种。

　　天何所沓？十二焉分？

　　日月安属？列星安陈？

　　两千多年前中国古人对苍茫宇宙的连连发问，正不断通过今天中国航天人的努力被带向深空。

　　而天问一号，才只是中国人面向行星探测发出的第一问。