8月25日22時45分，我國首次火星探測“天問一號”任務探測器已在茫茫太空中飛行了1月余，距離地球超1000萬公里，刷新了中國航天深空探測里程的新紀錄。“天問一號”的火星之旅還很長，它還將面臨哪些風險點，科研人員都有哪些保障技術和措施?近日，航天領域相關專家和研制單位接受了本報記者采訪，對“天問一號”任務探測器的奔火旅程進行了詳細解讀。
踩準26個月一遇的“探火窗口”
火星是太陽系中與地球最為相似的行星，它的一天是24.6小時，也有四季變化，有大氣。雖然火星表面平均氣溫只有零下63度，但夏天陽光直射的區域，氣溫能夠上升到20攝氏度，尤其是在火星赤道，極端溫度可以達到30攝氏度。正因為火星上的環境接近地球，這也為人類移民火星創造了條件，所以火星是目前人類除地球以外研究程度最高的一個行星。用空間探測器探測火星，幾乎貫穿整個人類的航天史。
“天問一號”任務火星探測器升空前后，阿聯酋和美國也發射了各自的火星探測器。為何大家都紛紛趕著7月下旬到8月上旬這個時間點呢?航天科普專家龐之浩告訴記者，因為這是26個月才輪到一次的“探火窗口”時間。
龐之浩介紹，地球和火星都圍繞著太陽公轉，這好比它們在田徑場“賽跑”。地球在里圈，跑得快，365天跑一圈;火星在外圈，跑得慢，687天跑一圈。地球和火星在各自“奔跑”時，最近相距5500萬公里，最遠相距可達4億公里。距離相差如此懸殊，人類肯定要在兩位“鄰居”相近的時候送出探測器，以節省燃料。這個“最近”時間點，每26個月才會輪到一次。
不過，這個“最近”時間點是在今年九十月份。那大家為何選擇在七八月份發射探測器呢?龐之浩說，這也是因為火星和地球在內外圈“跑步”的關系。如果探測器在兩顆行星最近的時候升空，地球比火星“跑得”快，探測器升空后不久就跑到火星前面去了，無法與火星就近相會。
因此必須要巧妙利用地球和火星的公轉位置，提前設計探測器的發射軌道。當火星位于地球前方約44°時，人類發射探測器，探測器可以充分利用地球的公轉“跑步”速度，追上火星，然后被火星引力捕獲，最終抵達目的地。這條神奇的軌道被稱為霍曼軌道。按照霍曼軌道的運行規律，探測器七八月份升空，這樣正好可以趕上九十月份地火距離最近時“偶遇”火星。
“探火之旅”后續七大難關步步驚心
中國航天科技集團五院介紹，國際上對于火星的探測，起步于20世紀60年代，截至今年6月底共發射了44個火星探測器，但任務成功概率只有50%左右。
龐之浩說，成功實現火星探測，需要渡過八大難關。目前“天問一號”任務探測器已經順利渡過第一道“發射”難關，接下來還有七道關口，可謂是步步驚心。
■通信難關 目前“天問一號”任務探測器已距離地球1000多萬公里，并且依然在以每天約30萬公里的速度遠離地球，信號強度與距離的平方成反比，這意味著，未來傳回地球的探測器信號將越發微弱，過去很多探測器就因此失聯了。
■控制難關 由于探測器距離地球遙遠，測控信號延時將越來越長。到最后著陸階段，地火之間的信號傳輸將長達20多分鐘。這需要探測器有很強的自主工作性能，不能什么都靠地球團隊來遙控。尤其體現在變軌、姿態調整方面，需要根據提前注入的數據自主開展變軌，因為每秒1米的延時誤差，到火星附近就會產生10公里左右的位置誤差，“差之毫厘”就有可能“謬以千里”。
■能源難關“天問一號”任務火星探測器離地球越來越遠，離太陽也越來越遠，受到太陽輻射強度大大減弱，這就要求探測器的太陽能電池陣較大，且有很高的光電轉化效率，來提供足夠的能源。
■環境難關 火星探測器暴露在宇宙環境中，受損風險大增。因此“天問一號”任務探測器在飛行中需要提前規劃路線，避開太陽風暴強的時候，同時采用防輻射的器件和輻射屏蔽措施。
■入軌難關 探測器在切入火星軌道過程中，要選擇適當的切入距離，以便被火星引力捕獲。探測器進入火星軌道時“剎車”的力度大小、時間早晚、進入角度都會影響引力捕獲的效果。稍有不慎，探測器就會“滑出”火星軌道，或撞到火星上。
■著陸難關 火星大氣稀薄，高速著陸的探測器要經歷恐怖的7分鐘，稍有不慎就會被燒毀或者摔毀。比如2016年發射的歐洲火星探測器，由于發動機提前1秒鐘關機，最后“硬著陸”拍在了火星表面上。龐之浩說，有人稱在火星著陸的難度，相當于從巴黎打一個高爾夫球，正好落在東京的某個洞里，這毫不夸張。
■工作難關 探測器著陸以后也不是萬事大吉?；鹦黔h境復雜惡劣，尤其是沙塵暴非常厲害，風力可達地球12級臺風的6倍，時間長達三個月到半年，沙塵遮天蔽日，對探測器殺傷力極大。另外火星的溫度比較低，對探測器的著陸器、火星車的溫控系統也是巨大的考驗。
多次軌道修正確保萬無一失
截至8月25日22時45分，“天問一號”任務火星探測器距離地球突破1000萬公里，探測器飛行正常。在地面，一大批科研人員全力以赴，保障“天問”順利奔向火星。
“天問一號”任務探測器的火星之旅主要包括6個飛行階段：發射段、地火轉移段、火星捕獲段、火星停泊段、離軌著陸段和科學探測段。目前探測器處于地火轉移段，需要飛行大約6.5個月。中國航天科技集團五院火星探測器總體主任設計師王闖在接受媒體采訪時表示，團隊一直在密切關注探測器的健康狀況，會定期對其進行健康檢查。
記者了解到，為確保“天問一號”在預定時間準確與火星交會，探測器在地火轉移段需要4至5次軌道中途修正和1次深空機動。8月2日，“天問一號”完成第一次中途修正，后續擬于9月份進行第二次軌道修正。尤其是深空機動，是一個控制量較大的軌控動作。深空機動后探測器才算在真正意義上飛向火星，因此更為重要，難度也更大。
當“天問一號”經歷億萬公里長途跋涉來到火星時，它還將經歷著陸階段“恐怖7分鐘”的考驗：探測器高速進入時，會與大氣層劇烈摩擦，使得表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣。如果不進行有效防護，探測器將燒毀在大氣層中。
為此，中國航天科技集團一院航天材料及工藝研究所的專家們研制出3種高科技材料，它們將協同“作戰”，盡全力守護探測器安全著陸火星。
探測器的著陸方式和地點也有講究。國家航天局中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰之前就曾表示，“天問一號”任務火星探測器明年2月份左右到達火星的時候，不會直接降落火星表面，而是會進行將近兩個半月的環繞飛行，對著陸區進行初步探查，在氣候條件好的時候再實施著陸。因為火星北半球平原相對更多一些，所以“天問一號”任務火星探測器選擇落在北半球的烏托邦平原。
路其漫漫，積跬致遠。“天問一號”正懷著夢想與期待，在茫茫宇宙中一往無前，奔向神秘的紅色星球——火星!
