地球|为何“天问一号”被火星捕获如此重要？密集知识点来袭_工作|任务|制动|时间|师张宇

首次火星探测任务型号副总师张宇：奔向火星！
为何“天问一号”被火星捕获如此重要？密集知识点来袭！
【地球|为何“天问一号”被火星捕获如此重要？密集知识点来袭】【《有话》第60期：奔向火星】2月10日， “天问一号”火星探测器被火星成功捕获，为我国深空探测的后续试验和探索奠定了坚实基础。本次“天问一号”探测工作，通过一次发射，将实现火星环绕、着陆、巡视，这种探测模式是世界首创，也是我国真正意义上的首次深空探测。探测器被火星捕获为何如此至关重要？火星探测的时间是怎样确定的？带着密集的知识点，本期《有话》邀请火星探测任务副总师张宇，带你了解火星探测的秘密。

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大家好，我是张宇，是北京航天飞行控制中心的一名科技工作者。“天问一号”任务准备接近五年了，为了完成今天的捕获，从2月3号开始，我们就进入了集中式的工作模式。一天24小时对探测器进行跟踪，保障探测器的稳定运行。当时“嫦娥五号”也是一天24小时，连续近一个月的工作，我们在心理和身体上都有一定的积累和准备。我们这个任务的目标就是要绕、落、巡，绕上火星只是第一步，后面我们还要着陆火星，对火星表面开展巡视探测，所以说我们后面还有很长的路要走。

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能够参与我们国家首次火星探测任务，本身就是一件很骄傲的事；同时也能在工作中探索太阳系、探索宇宙，为我国航天梦、强国梦贡献自己的一份力量，也是很有意义的一件事。
在此次火星探测中我主要负责探测器轨道方面的工作。 “天问一号”从2020年07月23日发射入轨，截至目前已在轨飞行约 200 多天，各系统运行状态良好。探测器除了每日例行的测控跟踪工作外，也进行了一系列试验。这些试验一是验证各系统的功能和性能，二是为环火飞行以及着陆巡视探测做准备。
在太阳系中，以太阳为中心来看，地球轨道与火星轨道是不交会、没有交点的，去往火星就是从地球轨道到达火星轨道。从一个天体的引力范围到另一个天体的引力范围叫转移轨道。之前我国在探月工程中已经实施验证过这类轨道，在探月工程中，从地球轨道到月球轨道叫地月转移轨道；从月球到地球叫月地转移轨道；在此次火星探测中叫地火转移轨道。这条路就好比一个人迈过一条壕沟，在探月中，这条壕沟要近一些；而在火星探测中， “天问一号”迈过的这条壕沟要远得多。

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这条路是根据地球与火星公转周期选择的，地球公转周期是一年，火星公转周期约两年。在这两年内，两个天体就有一次交会的时间点，所以选择在这个时间点附近发射可以实现从地球到达火星的时间最短、距离最短或者能量最省这几种模式。在国际上通常采用能量最省的模式，这也是国际上两年一次火星探测热潮的由来。地火转移轨道的专业术语就是“霍曼转移轨道” ，它是两个不同高度的轨道间转移常用的一种方式，其轨道特性是：近日点在地球公转轨道上，远日点在火星公转轨道上的椭圆轨道。这类轨道充分利用地球自身的自转和公转的速度，以牺牲时间为代价使得转移所需能量最小。根据这个特性设计轨道，就是当探测器从地球出发到达远日点时恰好或者超过火星公转的轨道，如果计算好火星公转的时间我们就能准时准点到达火星。

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火星引力范围是约58万公里，被火星捕获就是进入火星引力范围后在近火点实施近火捕获制动控制，使探测器成为环绕火星飞行的一颗卫星；如果不实施近火捕获制动，由于探测器飞行速度过快则无法被火星引力拉住而飞走，无法成为环绕火星运行的卫星。在近火点实施制动控制是能量最省的一种被火星捕获的方式，否则需要的燃料需要增加很多。 “天问一号”被火星捕获是技术风险最高的环节之一，只有一次机会。这一次机会就是探测器与火星交会的时机，错过这个时机就没有再次交会的机会了，如果近火捕获制动失败探测器只能成为一颗环绕太阳飞行的人造行星。从地球出发飞行上亿公里，为了确保捕获制动的万无一失，之前探测器与地面深空网均已进行了充分的测试和验证；同时，在接近火星时需确保探测器轨道预报计算和制动控制量准确，才能保证在近火点实施制动捕获控制，使“天问一号”成为环绕火星飞行的探测器，为后续试验和探测奠定基础。
“天问一号”是探火史上难度最高的一次任务，通过一次发射实现绕、落、巡的目标，既要保证绕上火星，还要着陆火星并开展巡视探测；此前，国际上火星探测要么是环绕探测，要么是着陆巡视探测；探测火星同时实现这三个目标，这在国际上是第一次；对我国而言，还是第一次自主探测就实现如此高的目标。

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中国的“天问一号”、美国的“毅力号”、阿联酋的“希望号”三大火星探测器都在2月抵达火星，这是前所未有的。火星上是否有水、有生命，是人类目前最关心的问题。由于火星与地球最为相似，所以探测火星生命的起源和演化，可以促进对人类生命乃至太阳系的起源和演化的研究；以及了解人类在宇宙中的地位和最终的命运。大量迹象表明，火星以前很可能与目前的地球一样，只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭的样子；而另一颗离地球很近的行星——金星，正好与此相反。所以，不少天文学家推断：火星是地球的未来，而金星是地球的过去。因此，深入探测火星对研究地球的演化，防止它变成人类难以生存的第二个火星具有促进作用。

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2020年， “天问一号”与我们携手同行，带着我们的航天梦飞向火星；2021年，我们将引领“天问一号”首次着陆地外行星，为实现强国梦不懈努力。
值此新春佳节来临之际，由于“天问一号”刚到达并环绕火星，我们团队还有很多工作要做，还有很多同志工作在第一线。我谨代表我们团队向家人和全国人民拜年，感谢大家对“天问一号”火星探测的关注和支持。祝全国各族人民春节快乐、阖家幸福！
编辑：魏一凡

地球|为何“天问一号”被火星捕获如此重要？密集知识点来袭

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