“天問”的四大技術突破及和美俄歐日的對比_風聞

5月15日，天問一號成功着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區，中國首次火星探測任務着陸火星取得圓滿成功。天問一號實現我國首次地外行星着陸，是中國航天事業發展中又一具有重大意義的里程碑。

探測器能到達火星併成功登陸火星，需過四大技術難關。

地球與火星之間是“三環”到“四環”的跨越，直線距離突破4億公里，要經歷發射入軌、地火轉移、火星捕獲、火星停泊以及離軌着陸5個階段。 

一，要求有推力強大的火箭。

火星探測器需要進入地火轉移軌道需要火箭具備足夠強大的推力，才能將探測器送入到地火轉移軌道。

中國最強火箭長征五號已經實現突破，成功送“天問”踏上火星之路。

火箭，由8台120噸液氧煤油發動機組成的助推器和2台50噸級氫氧發動機組成的芯一級動力同時點火，助力火箭從地面噴薄而起，工作到一定時間，助推器熄火分離，芯一級動力獨自承擔起助跑任務；當芯一級動力完成使命關機後，與火箭分離，助跑接力棒交到由2台9噸級膨脹循環發動機組成的二級動力手中，它們經過二次起動，將“天問一號”火星探測器送入地火轉移軌道。

“天問一號”將經歷地火轉移、近火制動、環火飛行及火星着陸等一系列旅程。這期間，着陸巡視器和環繞器上配置的推進分系統將分別為探測器提供既定任務所需的全部動力。

3000N軌控發動機和7500N變推力發動機，將攜手46台“小可愛”姿控發動機，一起助力“天問一號”完成奔火之旅。

二，要求有強勁星載電池，為長時遠航提供動力。

地球與火星的最近距離約有5600萬公里，最遠4億公里。

“天問”2020.7.23日升空，2021年2月10日成功環繞火星，深空飛行7個多月，環繞火星飛行3個月，這麼長時的飛行需要持久動力。

“天問”的成功説明中國已掌握長期深空飛行的動力電池技術，甚可能是核電池。

三，要求深空遠距通訊和控制技術過關。

目前的外太空飛行器，因為技術成熟度的問題，普遍不具備深空自主導航能力。必須依賴來自地球測控系統的全程導航、跟蹤與測定軌保障。這一切的前提，就是要有分佈全球的深空探測網。

火星距離地球最遠約 4 億公里。因此，深空探測器反射回來的信號非常微弱。想要成功捕捉信號，必須加大天線口徑，增加發射功率，提升工作頻段，提高接收機靈敏度。

近十幾年來，中國分別建成新疆喀什 35 米口徑深空站和黑龍江佳木斯 66 米口徑深空站，並在地球另一側建設阿根廷 35 米口徑深空站，實現對深空探測器的全天候測距和測速。阿根廷深空站

中國的 VLBI 測軌分系統，由上海佘山站、北京密雲站、烏魯木齊南山站、昆明鳳凰山站和上海天文台 VLBI 數據處理中心共同組成。“四站一中心”分佈於天南地北，充分利用中國巨大的國土縱深。為準確地對深空探測器進行跟蹤監測，及時向深空探測器發出控制指令，各觀測站必須將觀測數據實時發送到數據處理中心，進行數據處理後，再上報到位於北京的航天測控中心。

數據傳輸距離遠，必須要有確定性低時延：

VLBI 數據傳輸要求時延低且恆定，從原始數據觀測到測定軌數據發佈，VLBI 系統整體實時性指標要求不超過 1 分鐘。“天問一號”探測器的 VLBI 數據傳輸專線單向網絡時延不超過百毫秒，且時延抖動幅度應小於 20 毫秒。

這個深空傳輸網絡必須滿足大帶寬、高穩定、高可靠、確定性低時延、快速開通的要求。符合這個要求的技術方案只有一種，那就是光專線。

2007 年的“嫦娥”探月計劃，運營商的光專線就已經應用於測控數據地面傳輸。

OTN，英文全稱是 Optical Transport Network，光傳送網。這是一種以波分複用技術為基礎、在光層組織網絡的新一代傳送網，它也是目前倡導的全光網絡的代表性技術。基於 OTN 技術的 OTN 專線，是 SDH/MSTP 等存量光專線的升級產品。

從“天問一號”探測器 7 月 23 日發射到 8 月，高品質光專線發揮穩定，保障包括 VLBI 測軌分系統在內的深空探測網能夠正常工作。8 月 2 日“天問一號”探測器首次軌道中途修正，也在高品質光專線的支撐下圓滿完成。

深空通信中繼方面：2018年中國發射人類唯一的深空通信中繼衞星“鵲橋號”。

沒有這些技術的支持，就容易導致探測器失去控制，無法準確進入到火星軌道，任務只能是失敗。因為控制不好探測器切入的角度位置，導致角度位置過大，火星的引力就無法捕捉到它。探測器就有可能會直接掠過火星。

如果角度位置過小，距離太近，那麼就會導致探測器在大氣層中墜毀或者是撞擊到火星上去。最後一方面。就是要解決好探測器着陸時恐怖9分鐘所遇到的各種問題。火星大氣密度只有地球大氣密度的1%，也就意味着大氣對探測器的減速作用不是很大。要在這9分鐘內。把探測器的速度從5.6公里每秒降到零，這個是相當困難的，稍有不慎就會造成探測器的墜毀。

四，天問一號的組成：由軌道器、着陸器、巡視器三個部分組成，總質量約5噸。

“天問一號”火星探測任務將一次性完成 “繞、落、巡”三大任務，採用全新的一代自主研發的飛控軟硬件系統。

探火之路，動力領航。在“天問一號”火星探測器上，航天六院研製交付了着陸巡視器和環繞器的兩套推進分系統，共計48台大大小小的發動機。它們將分別為着陸器着陸過程懸停、避障及緩速下降過程提供可靠動力，為環繞器系統提供軌道維持、軌道轉移、制動捕獲、軌道調整以及姿態控制所需的精準動力。

其中，環繞器上共有21台發動機，分別是8台120N發動機、12台25N發動機和1台3000N發動機。着陸巡視器推進分系統共有27台中室壓發動機，分別為20台250N發動機、6台25N發動機和1台7500N發動機。

火星車搭載6種科學探測設備，將開展火星地表成分、物質類型分佈以及氣象環境等探測工作。  

神奇材料讓火星車跑得更快更遠。

 在“天問一號”火星探測器中，使用我國獨立自主研發的多項“黑科技”，特別是，火星車採用一種新型隔熱保温材料——納米氣凝膠。它將分別用來應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環境，並且憑藉其超輕特性極大地減小火星車的負擔，讓它跑得更快，跑得更遠。

巡視器/火星車：自由巡視火星表面細節。

火星車除裝有光電轉換效率較高的4塊太陽電池板外，在其頂部還裝有一個像雙筒望遠鏡樣子的設備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然後利用一種叫做正十一烷的物質儲存能量。白天，火星温度升高，這種物質吸熱融化，到晚上温度下降，這種物質在凝固的過程中釋放熱能，這樣效率可以達到80%以上。

火星車底部裝有地表穿透雷達，可以研究火星土壤深處的元素分佈情況。磁場感應設備，可以確認着陸和巡視區域的地表磁場情況。此外，重頭戲將是研究巡視區域的土壤和岩石主要成分，查看常規的水、元素構成，同時，有機物也是一個需要搜尋的目標。作為一個整體的系統，火星車也會攜帶有導航、避障設別、微距相機等，為中國帶來更多火星表面的細節。通訊設備、太陽能電池板、電池也是基本組成。

中國火星探測器組合體概念圖（圖源：國家國防科工局）  

軌道器主要負責將系統整體切入環繞火星軌道，進行全球勘探科研。用來研究火星全球磁場、表層元素、大氣和中性粒子、全球地貌（高程）等，同時作為地面着陸系統的通信中繼系統。  

中國火星探測着陸器和火星車組合方案（圖源：國家航天局）  

着陸器主要負責軟着陸過程，降落在火星表面，同時分析着陸點附近的情況，另一主要目標是釋放火星車。  

中國航天科工集團有限公司研製生產的相控陣敏感器、高性能晶體元器件和電連接器、納米氣凝膠材料、加速度計、解鎖分離裝置等系列產品，為天問一號開展“火星環繞、着陸和巡視探測”作出重要貢獻。

我國相控陣敏感器首次亮相太空 此次火星探測是我國首次獨立開展的行星星際探測任務，旨在通過一次發射實現對火星的環繞、着陸和巡視。作為位置和速度測量的重要手段，相控陣敏感器在着陸階段，持續為航天器提供高精度的測量數據，成功助力着陸巡視器安全着陸火星表面。

相控陣敏感器安裝在火星着陸巡視器進入艙着陸平台的下方，作用範圍達數十千米，可謂火星探測器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的測量敏感器一起，密切配合，“接力”引導航天器平安落地。

天問1號達到的地位：天問的技術部分超過美國，全面超過俄歐日。

上世紀70年代美國的海盜1號着陸器就已經着陸火星， 但海盜號探測器由軌道飛行器（環繞器）和登陸器組成，沒有火星車，也就是説沒法進行巡視任務。

其中軌道飛行器也就是環繞器重2.33噸，登陸器重1.2噸。中國的天問1號火星探測器由1.3噸的着陸與巡視器總重以及1.2噸的環繞器組成，加上2.5噸的推進劑，所以天問1號探測器總重達到5噸，而最重要的是，中國有重240千克的巡視器（火星車），這要求着陸器在着陸過程中一定要小心再小心，對着陸過程要求非常嚴格，這是當初的海盜1號在着陸過程中沒有經歷過的，兩者在技術上也是無法比較的，超高難度的繞落巡一步到位，天問1號的任務是人類探索火星60年歷史上複雜度最高的一次。

火星探測器在奔往火星的過程中一直是高速狀態，在經過制動之後進入火星環繞軌道。在進行着陸之前，需要先將速度降下來，我國根據探月工程積累下來的經驗，將通過4個階段降落到火星表面。第1個階段是氣動減速階段，需要將探測器的速度從4.8公里每秒鐘減速到460米每秒鐘，接下來探測器將打開降落傘，將探測器的速度進一步降低至每秒鐘95米，隨後進入到動力減速階段利用反推火箭產生推力進一步減速，將探測器的速度降低至每秒鐘3.6米。最後一個步驟就是懸停避障階段，這個過程是在最後剩下的100米位置進行的，這個階段叫做着陸緩衝段，在這一過程中，探測器將懸停在100米高度的位置對火星表面進行進一步觀察，看看火星表面有沒有一些大的石頭或者坑之類的，有的話需要避開它，以確保安全平穩着陸火星表面，以上的這些操作完全由探測器自主進行。 這一次火星任務是我國完全自主的火星探測任務，第1次自主火星探測任務，在這樣高起點高難度的挑戰下，一次性完成三大任務，是世界航天史上的首例。

天問1號繞落巡三步，這個技術水平要比美國的機遇號、勇氣號要強一些，但比好奇號還是要差一些的。

為什麼不與歐空局、俄羅斯日本相比呢？

俄羅斯，歐洲前後差不多有20多次，可惜一次都沒有完全成功。

日本發射火星探測器“希望”號失敗。

1998年，“希望”號準備點火飛向火星，卻因閥門故障造成推進劑損失。這次故障使航天器沒有足夠的加速度到達它的計劃軌道，地面控制室在兩次修正軌道時使用比原計劃更多的推進劑，這導致“希望”號的任務不得不重新規劃。新計劃使“希望”號在日心軌道的時間又增加四年，推遲至2003年12月與火星相遇。

2002年4月21日，強大的太陽耀斑破壞“希望”號的通信和動力系統，這導致其姿態控制系統中的肼凍結。5月15日失去與航天器的聯繫，兩個月後，控制人員發現航天器的信號。2003年12月9日，在進入火星軌道過程中，主推進器發生故障。日本宇宙航空研究開發機構表示，因無法維修，“希望”號已徹底“絕望”，首次探索火星任務的失敗。

天問的成功表明中國深空動力，遠程通訊控制，制導等技術達到一流水平。