中國首次自主火星探測任務(wù)天問(wèn)一號將于 2020 年夏擇機發(fā)射，目標是通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現火星環(huán)繞和著(zhù)陸巡視，開(kāi)展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點(diǎn)地區進(jìn)行精細巡視勘查。這次任務(wù)過(guò)程復雜，亮點(diǎn)紛呈。

　　奔向火星

　　火星和地球一起圍繞太陽(yáng)旋轉，它們就像在環(huán)形跑道上快速奔跑的兩名運動(dòng)員，地球在內圈略快，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)候從第一名運動(dòng)員那里出發(fā)?沿著(zhù)什么方向加速?到第二名運動(dòng)員附近如何減速才最省力?這些都是需要精心考慮的問(wèn)題。而在火星探測任務(wù)中，這項工作叫作軌道設計。

　　軌道設計中，一項重要的工作是發(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)。天體運動(dòng)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會(huì )，因為這時(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)射機會(huì )，運載火箭的能力越強，發(fā)射窗口就越寬。

　　不走尋常路

著(zhù)陸巡視器外觀(guān)設計構形圖

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

　　探測器將由長(cháng)征五號運載火箭發(fā)射至地火轉移軌道，與運載火箭分離后，探測器將進(jìn)行軌道機動(dòng)，在距離火星 400 千米處制動(dòng)，被火星捕獲，成為火星的人造衛星。

　　運行一段時(shí)間之后，著(zhù)陸的時(shí)機到來(lái)了，著(zhù)陸巡視器與環(huán)繞器分離。著(zhù)陸巡視器進(jìn)入火星大氣，利用氣動(dòng)、降落傘、發(fā)動(dòng)機三級減速和著(zhù)陸腿的緩沖作用，軟著(zhù)陸于火星表面。最后，火星車(chē)駛離著(zhù)陸平臺，在火星表面開(kāi)始巡視探測。

　　著(zhù)陸火星

火星車(chē)與著(zhù)陸平臺分離

　　這次火星探測任務(wù)中，最令人緊張的就是著(zhù)陸前的 8 分鐘。

　　首先，探測器會(huì )瞄準進(jìn)入火星大氣層的一個(gè)窄窄的進(jìn)入走廊——角度太大會(huì )導致與大氣摩擦溫度升高過(guò)于劇烈，角度太小又實(shí)現不了進(jìn)入火星大氣層的目標。接下來(lái)的氣動(dòng)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(zhù)，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的火星專(zhuān)用降落傘展開(kāi)，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，因為風(fēng)太大影響著(zhù)陸點(diǎn)的精度，甚至影響著(zhù)陸安全。

　　再繼續，降落傘完成使命，探測器把大底和背罩拋掉，露出著(zhù)陸平臺和火星車(chē)。平臺上的大推力發(fā)動(dòng)機開(kāi)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(guān)察地面，尋找最安全的具體著(zhù)陸地點(diǎn)。

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

　　整個(gè)過(guò)程，短暫又復雜，地面沒(méi)有干預的機會(huì )，完全靠探測器自主決定各個(gè)動(dòng)作執行的時(shí)機。

　　火星車(chē)登場(chǎng)

　　輪到中國第一輛火星車(chē)閃亮登場(chǎng)了。它有四片深藍色的翅膀，渾身金黃，兩根天線(xiàn)展開(kāi)，就像蝴蝶的兩個(gè)觸角，整體視覺(jué)感受，就像是一只藍色閃蝶。它昂頭向前，首先勇敢地行駛到梯子上，然后穩健地行駛到火星表面，在火星的表面留下了兩道車(chē)轍。不過(guò)，這個(gè)過(guò)程需要大約一周時(shí)間才能完成。至于火星車(chē)要向哪個(gè)方向行駛，現在誰(shuí)也不知道，因為這需要地面的科學(xué)家根據拍攝的圖像，判斷哪里有感興趣的目標，然后才能確定火星車(chē)的行駛方向。

　　受能源和通信限制，火星車(chē)不能滿(mǎn)負荷工作。每天午后是火星車(chē)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(chē)而言就是最省能源。

　　白天，火星表面陽(yáng)光充足時(shí)，火星車(chē)會(huì )利用太陽(yáng)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(yáng)落山，火星車(chē)利用儲存的電能，繼續工作。但是這還不夠。因為光能轉換成電能，效率只有 30%，大部分能量被損失掉了。有沒(méi)有效率更高的辦法呢?

　　在火星車(chē)頂部，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(yáng)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(guò)程中，釋放熱能，這樣效率可以達到 80% 以上。
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