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轨道|火星上荒野求生，“天问一号”有五大使命

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新京报快讯（采访人员李玉坤）5月15日 ， 由中国航天科技集团研制的火星探测器“天问一号”成功实施两器分离 ， 随后 ， 着陆器成功穿越火星大气在火星表面实现软着陆 。 成功着陆后 ， “绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步 ， 开启了红色星球的探索之旅 。
火星环境恶劣 ， 大风风速是大台风三倍
【轨道|火星上荒野求生，“天问一号”有五大使命】火星的环境是出了名的恶劣 ， 要想完成使命 ， 火星车首先得活下来 。 这就需“祝融号”足够强大 。
航天五院总体设计部“天问一号”火星探测器副总设计师贾阳的案头 ， 摆放着一枚精美无比的蓝色蝴蝶标本 。 火星车的设计灵感 ， 便正是来自这枚蝴蝶：无线电成了蝴蝶的复眼 ， 天线成了蝴蝶的触须 。
中国曾数次造访月球 ， 积累了宝贵的经验 。 但月球与火星最大的不同 ， 便在于月表近乎真空 ， 而火星有大气层 。 这则会大大增加探索火星的难度 。
如果只是看图片 ， 火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异 。 事实上 ， 火星上的风速可达每秒180米 ， 这几乎是地球上特大台风风速的三倍还多 。 这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘 ， 石块 ， 形成特大沙暴 。 让“蝴蝶”的眼睛蒙尘 ， 翅膀不再灵活 。 面对这样的情况 ， 设计师使用了一种新型材料 ， 这种材料不易沾上灰尘 ， 即使沾上 ， 也可以通过振动将其抖落 。 火星表面还密布着石块等障碍物 ， 这就使得火星车的行驶需要更加地“小心翼翼” ， 以免被障碍物卡住造成操作的迟滞 。
那如何让火星车的每一步都走得更加稳妥呢？在航天五院的实验室中 ， 有一台一模一样的火星车 。 当在火星上遇到复杂的路况时 ， 地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶 ， 确认无误后才会发出指令 。
13种科学载荷完成五大使命
着陆后 ， 进?舱将着陆信息通过环绕器转发地面 。 进?舱和火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开 ， 火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面 。 一切准备就绪后 ， 火星车将自主的驶离进?舱 ， 抵达火面 ， 开始新的征程 。
除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外 ， “天问一号”整体上携带了13种科学载荷 。
其中7个在火星上空的环绕器上 ， 分别是中分辨率相机、?分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪 。 6台分布在火星车上 ， 分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机 。
它们共有五大使命 ， 主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究 ， 将给中国带来火星的第一手资料 。 其中 ， 与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据 ， 并研究火星的磁场和重力场 ， 这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候 。
多知道一点
“天问一号”着陆前为何在轨道上运行3个月？
在2020年7月火星探测窗口发射的3颗探测器中 ， 我国首次火星探测任务“天问一号”和美国的毅力号探测器均需在火星表面的软着陆任务 。 然而与毅力号直接实施火星表面软着陆不同 ， 在“天问一号”两器分离前 ， 由中国航天科技集团八院抓总研制的火星环绕器首先在停泊轨道上运行了3个月 ， 想要搞清楚“天问一号”预选着陆区探测到底是如何开展的 ， 就要先弄清楚两个问题 。
与已经成功进行了多次火星探测任务的美国相比 ， 我国在“天问一号”探测任务之前 ， 尚不掌握第一手火星环境资料 ， 对火星的地形地貌、天气环境等各方面情况尚不熟悉 。 因此在本次任务中 ， 根据全球已公开的数据 ， 在任务规划中首先预选出一个首选着陆区以及一个备选着陆区 ， 并通过环绕器环绕火星的方式对预选着陆地点进行探测 。
在被火星引力捕获后 ， 环绕器在停泊轨道开展对预选着陆区为期3个月的观测 。 通过获取的第一手探测数据 ， 环绕器对预选着陆区的环境条件进行进一步确认 ， 同时获取着陆区的地形、沙尘暴天气等信息 ， 为探测器实施软着陆提供进一步保障 ， 确保探测器在着陆过程中的安全 。
为了保证探测效果 ， 八院火星环绕器研制团队设计的环火停泊轨道为回归轨道 ， 即每圈轨道的近火点均位于首选着陆区的正上方 ， 这种轨道设计可以使探测器每次运行到近火点时均可以对着陆区进行详查 。
509所环绕器总体设计师介绍 ， 环绕器对预选着陆区的探测包括地貌、天气两个主要方面 。 通过高分辨率相机、中分辨率相机、光谱仪等载荷的探测数据 ， 火星环绕器生成火表遥感图像 ， 随后以遥感图像为基础 ， 对火星表面的地形地貌（如坡度、凹坑、石块等）进行辨识分析 ， 并绘制得到火星表面高程图 。 地面科研人员利用这些坡度、高程、石块丰度等火表关键特性参数可以开展三维高精度建模 ， 并进行着陆仿真验证 ， 确保预选着陆点的地貌条件充分适合探测器的软着陆及后续火星车的巡视探测任务 。
环绕器在停泊轨道执行预选着陆区探测任务中也会对火星的天气情况进行监测 。 由于火星表面天气恶劣 ， 每年都会形成几场大的沙尘暴 。 沙尘暴可能会改变着陆巡视器下降过程的动力学参数 ， 影响着陆过程的安全性 ， 同时 ， 沙尘粒子可能会附着在探测器的表面 ， 甚至钻入探测器内部 ， 造成各类仪器设备故障 。
同时 ， 由于“天问一号”携带的火星车采用太阳能帆板的形式供电 ， 大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面 ， 降低发电效率甚至导致发电能力丧失 。 对于火星车来说 ， 失去能源供应无疑是致命的 。 因此 ， 通过停泊轨道3个月的预选着陆区探测 ， 八院火星环绕器研制团队可以对火星的天气情况 ， 尤其是沙尘暴的动向进行监测 ， 从而避开恶劣的火星天气 。
新京报采访人员 李玉坤
编辑 应悦

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