中國首次自主火星探測任務(wù)天問一號將于 2020 年夏擇機(jī)發(fā)射，目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行精細(xì)巡視勘查。這次任務(wù)過程復(fù)雜，亮點(diǎn)紛呈。

　　奔向火星

　　火星和地球一起圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，它們就像在環(huán)形跑道上快速奔跑的兩名運(yùn)動員，地球在內(nèi)圈略快，火星在外圈稍慢。再形象些，我們可以把它們想象成接力賽，什么時(shí)候從第一名運(yùn)動員那里出發(fā)?沿著什么方向加速?到第二名運(yùn)動員附近如何減速才最省力?這些都是需要精心考慮的問題。而在火星探測任務(wù)中，這項(xiàng)工作叫作軌道設(shè)計(jì)。

　　軌道設(shè)計(jì)中，一項(xiàng)重要的工作是發(fā)射窗口的分析，也就是確定探測器什么時(shí)候從地球出發(fā)。天體運(yùn)動關(guān)系決定了需要大約 26 個(gè)月，才有一次發(fā)射火星探測器的最佳機(jī)會，因?yàn)檫@時(shí)候發(fā)射最省能量。既然是窗口，那就存在一定的時(shí)間寬度，在 7 月底到 8 月初的半個(gè)月，都存在發(fā)射機(jī)會，運(yùn)載火箭的能力越強(qiáng)，發(fā)射窗口就越寬。

　　不走尋常路

著陸巡視器外觀設(shè)計(jì)構(gòu)形圖

　　開展火星探測，可以發(fā)射環(huán)繞器進(jìn)行火星遙感探測，也可以單獨(dú)發(fā)射火星車，實(shí)現(xiàn)巡視探測。中國首次自主火星探測任務(wù)，將通過一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)“繞”“著”“巡”三個(gè)目標(biāo)。

　　探測器將由長征五號運(yùn)載火箭發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道，與運(yùn)載火箭分離后，探測器將進(jìn)行軌道機(jī)動，在距離火星 400 千米處制動，被火星捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。

　　運(yùn)行一段時(shí)間之后，著陸的時(shí)機(jī)到來了，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。著陸巡視器進(jìn)入火星大氣，利用氣動、降落傘、發(fā)動機(jī)三級減速和著陸腿的緩沖作用，軟著陸于火星表面。最后，火星車駛離著陸平臺，在火星表面開始巡視探測。

　　著陸火星

火星車與著陸平臺分離

　　這次火星探測任務(wù)中，最令人緊張的就是著陸前的 8 分鐘。

　　首先，探測器會瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的一個(gè)窄窄的進(jìn)入走廊——角度太大會導(dǎo)致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈，角度太小又實(shí)現(xiàn)不了進(jìn)入火星大氣層的目標(biāo)。接下來的氣動減速段是最主要的減速階段，進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測器的速度可達(dá)每秒 4.8 千米，大約 5 分鐘的減速之后，速度只剩下每秒 460 米。

　　接著，專門開發(fā)的火星專用降落傘展開，進(jìn)入艙的速度進(jìn)一步下降到不到每秒 100 米，這一分多鐘時(shí)間比較關(guān)注火星大氣層中風(fēng)的速度和方向，因?yàn)轱L(fēng)太大影響著陸點(diǎn)的精度，甚至影響著陸安全。

　　再繼續(xù)，降落傘完成使命，探測器把大底和背罩拋掉，露出著陸平臺和火星車。平臺上的大推力發(fā)動機(jī)開始工作，進(jìn)一步減速，高度 100 米的時(shí)候速度基本上降到零，便于探測器觀察地面，尋找最安全的具體著陸地點(diǎn)。

　　最后一點(diǎn)能量，要靠四條著陸腿里的緩沖吸能材料，把著陸時(shí)的沖擊力緩沖掉，保證探測器不發(fā)生側(cè)翻，平穩(wěn)著陸在火星表面。

　　整個(gè)過程，短暫又復(fù)雜，地面沒有干預(yù)的機(jī)會，完全靠探測器自主決定各個(gè)動作執(zhí)行的時(shí)機(jī)。

　　火星車登場

　　輪到中國第一輛火星車閃亮登場了。它有四片深藍(lán)色的翅膀，渾身金黃，兩根天線展開，就像蝴蝶的兩個(gè)觸角，整體視覺感受，就像是一只藍(lán)色閃蝶。它昂頭向前，首先勇敢地行駛到梯子上，然后穩(wěn)健地行駛到火星表面，在火星的表面留下了兩道車轍。不過，這個(gè)過程需要大約一周時(shí)間才能完成。至于火星車要向哪個(gè)方向行駛，現(xiàn)在誰也不知道，因?yàn)檫@需要地面的科學(xué)家根據(jù)拍攝的圖像，判斷哪里有感興趣的目標(biāo)，然后才能確定火星車的行駛方向。

　　受能源和通信限制，火星車不能滿負(fù)荷工作。每天午后是火星車工作的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間火星表面溫度最高，探測儀器的溫度相對最舒服，對火星車而言就是最省能源。

　　白天，火星表面陽光充足時(shí)，火星車會利用太陽能電池發(fā)出的電能，一部分用于工作，一部分儲存在蓄電池中;到了夜晚，太陽落山，火星車?yán)脙Υ娴碾娔埽^續(xù)工作。但是這還不夠。因?yàn)楣饽苻D(zhuǎn)換成電能，效率只有 30%，大部分能量被損失掉了。有沒有效率更高的辦法呢?

　　在火星車頂部，像雙筒望遠(yuǎn)鏡樣子的設(shè)備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然后利用一種叫作正十一烷的物質(zhì)儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化，到了晚上，溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過程中，釋放熱能，這樣效率可以達(dá)到 80% 以上。
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