7月23日，長征五號遙四運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空，實施我國首次火星探測任務（天問一號任務）。 新華社記者 才揚 攝

世界首次一步實現(xiàn)火星探測“繞、著、巡”，最遠距離達4億公里如何實現(xiàn)超遠距離深空通信？火星探測器發(fā)射后將經(jīng)歷怎樣的歷程到達火星？23日，我國首次火星探測任務“天問一號”探測器成功在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，記者為您梳理了一份此次火星探測的“觀賞指南”。

世界首次：一步實現(xiàn)“繞、著、巡”

火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標。目前，人類已對火星實施了44次探測任務，其中成功了24次，火星是目前人類認識最深入的行星之一。

通過以往對火星的探測，人們在火星上發(fā)現(xiàn)了存在水的證據(jù)?；鹦巧鲜欠翊嬖谠杏臈l件以及火星是地球的過去還是未來？這些問題一直縈繞在科學家心頭，成為火星研究的重大科學問題。

我國首次火星探測任務憑借火星環(huán)繞器和著陸巡視器的超強陣容，可一步實現(xiàn)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標，這是其他國家在首次實施火星探測任務時從未實現(xiàn)過的。

相比月球探測，火星探測任務的難度更大。由于火星相對地球距離較為遙遠，對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)領(lǐng)域都提出了很高的要求。

中國航天科技集團八院“天問一號”探測器系統(tǒng)副總師兼環(huán)繞器總設(shè)計師王獻忠介紹，研制團隊不僅攻克了火星制動捕獲、長期自主管理等關(guān)鍵技術(shù)難點，更實現(xiàn)了地火間的超遠距離測控通信，并將通過環(huán)繞探測實現(xiàn)火星全球性、綜合性探測，完成火星表面重點地區(qū)高精度、高分辨率精細詳查。

臨門一腳：制動捕獲“踩剎車”

火星捕獲是火星探測任務中技術(shù)風險最高、最為重要的環(huán)節(jié)之一，在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推，探測器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設(shè)計的轉(zhuǎn)移軌道，探測器能夠最終順利抵達火星附近。

然而，受限于攜帶的推進劑有限，環(huán)繞器在抵達火星后，必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公里,而此時探測器相對火星的速度高達4到5公里每秒，一不留神就會撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關(guān)鍵。

在這一制動捕獲過程中，火星環(huán)繞器面臨諸多挑戰(zhàn)。由于捕獲時探測器距離地球1.93億公里，單向通信時延達到10.7分鐘，地面無法對這一制動過程進行實時監(jiān)控，只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲策略。此外，在制動過程中，環(huán)繞器需要在自身出現(xiàn)突發(fā)狀況時自主完成相應處理，最大限度保證火星捕獲成功。

首次火星探測任務新聞發(fā)言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰介紹，捕獲過程中，火星環(huán)繞器需要準確地進行點火制動，如果制動點火時間過長，探測器速度下降過多，探測器就會一頭撞上火星，如果制動點火時間過短，探測器速度過快，就會飛離火星從而無法進入環(huán)繞軌道，這對環(huán)繞器的自主導航與控制提出了極高要求。

4億公里：超遠距離深空通信

環(huán)火飛行階段，由于地球和火星的運行規(guī)律，探測器距離地球最遠達到4億公里。為了解決超遠距離通信問題，火星環(huán)繞器裝備了測控數(shù)傳一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。

為補償空間衰減，火星環(huán)繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅(qū)動的定向天線，大幅度提高探測器到地球通信能力。

自主管理：探測火星需要會思考的“大腦”

通常情況下，環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星都是由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星的實時狀態(tài)和任務要求進行控制的。但火星環(huán)繞器由于探測器到地球的距離遠，通信延時大，無法完全依靠地面指令對星上出現(xiàn)的突發(fā)狀況進行實時處理。

此外，環(huán)繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導致通信中斷（“日凌”）的時間最長可達30天，期間需依靠自身完成長期任務管理，并在出“日凌”后及時調(diào)整天線指向，迅速重新與地面建立聯(lián)系。

據(jù)悉，在此次火星探測任務的關(guān)鍵節(jié)點，自主管理同樣需要發(fā)揮巨大作用。在火星探測器進行環(huán)繞器與著陸巡視器分離時，環(huán)繞器需在短時間內(nèi)完成3次調(diào)姿和2次變軌，對姿態(tài)及位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統(tǒng)，火星環(huán)繞器才能夠精準、及時地完成與著陸巡視器的分離。

多樣載荷：給火星拍個“中式定妝照”

此次火星環(huán)繞器上共搭載7種有效載荷，可對地火轉(zhuǎn)移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測，獲取行星際射電頻譜數(shù)據(jù)、火星表面圖像、火星地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌、火星表層結(jié)構(gòu)和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場環(huán)境、近火星空間環(huán)境和地火轉(zhuǎn)移軌道能量粒子特征及其變化規(guī)律。

其中中分辨率相機可對火星全球開展地形地貌普查，高分辨率相機可對火星重點地區(qū)開展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國的“定妝照”。