演讲者：孙泽洲
出品：新浪科技《科学大家》 墨子沙龙
孙泽洲：航天科技集团第五研究院研究员。作为我国深空探测航天器设计领域专家和学术带头人，长期致力于深空探测领域研究和工程实践，历任嫦娥一号卫星副总设计师，嫦娥三号探测器总设计师，现任嫦娥四号探测器总设计师、火星探测器总设计师。
内容整理自墨子沙龙"中国登陆火星！——天问之路"活动。
非常高兴能来到墨子沙龙，有机会跟大家一起分享我们国家首次火星探测任务——"天问一号"任务。一提到火星，我们总会感到既熟悉又陌生，大家也许会有一些问题：我们人类为什么要去探测火星？为什么热衷于火星的探测？
火星——行星探测第一站
首先我们要对火星本身有一个简单的了解。火星是距离我们"很近"的一个星球，我们在地球上肉眼可以清晰地看到这个红色的星球。"近"是相对于浩瀚的宇宙而言，相对于地月距离，它又很远。每大概26个月就会出现一次火星冲日，这个时候火星和地球运行到太阳的同一侧。在晴朗夜晚的天空，随着太阳的下山，火星会从地球的东方升起，所以人类很早就对火星进行了观测。
古代中国把火星称为荧惑，西方把火星比作战神Mars。由于古代人类对宇宙认知程度和科技水平的限制，火星往往与战争和灾祸相联系，这其实对火星很不公平。随着科技的发展和认知水平的提升，我们发现火星这个近邻很可能会成为人类的第二个家园。因而，之后的人们对火星就不再有恐惧，更多的是一种向往。大家看到近现代的一些科幻小说、电影都含有火星元素，如《火星救援》等。
火星与地球有很大的相似性，太阳系内的行星从内往外依次是：水星、金星、地球、火星……火星距离地球最近的时候（即刚才提到的火星冲日）大概是5500万公里；最远时距离4亿公里，但如此遥远的距离相比宇宙的尺度也是很小。
从它的自然特性来讲，其公转周期687天接近地球的两年，同时因为它的自转轴与轨道周期面夹角大约为25度，与地球的23.5度接近，所以它也有四季的变化。它的自转周期跟地球十分相近，是24小时37分钟，所以昼夜变化与地球上基本一致。而且火星有一层稀薄的二氧化碳大气，导致火星上有一定的温室效应，所以它的昼夜温差虽然比地球大，但相比月球却小很多。由于这些特性，火星在我们现在认知的天体中更接近地球。因此从事行星科学研究的科学家们认为，火星的演化与地球有很多的相似之处；但由于它的质量比较小，所以内部能量消耗得较快，更接近一个行星的晚期。火星的今天很可能就是地球的明天，所以从行星学研究的角度考虑，对火星有充分的认识可以帮助我们更好地了解地球的未来。
此外，因为火星跟地球很相似，大家就会想到火星是不是有可以为人类所利用的资源，例如水。现在的探测结果说明火星上有水存在的迹象，但水是否大量存在还有待我们继续探索，这也是现在对火星探测的一个重点和热点。
火星还有另外一些重要的整体特征。如因为它比地球小，所以呈现低重力的特点，只有地球重力的3/8左右。因为它比地球离太阳更远，因此有弱光照、偏低温等特点。但其四季和昼夜的变化跟地球很相似。
我们现阶段对于火星的探测主要基于两个目标，一是从行星学的角度认识火星，以认识地球的未来；二是对火星资源进行探测，以期能对这些资源有一些新发现，未来能为我们所利用。比如未来人类是否能去火星并把火星做星际航行的一个中转站，是否存在能为我们所利用的资源？因此，我们要把航天器送到火星轨道、火星表面进行探测。
火星之旅，人类蹒跚起步
2020年可以说是火星探测的一个高潮年，我们国家的"天问一号"成功发射飞向火星，并在今年成功着陆火星。那么，我们人类对火星的探测经历了怎样的历程？
火星探测的历史还是很长的，早在1960年，在人类的第一颗人造卫星发射后不到三年的时间，人类就开始了奔往火星的征程。第一个吃螃蟹的是苏联的"火星1A号"，但很可惜由于当时技术水平的限制，它最终并没有到达火星。但毋庸置疑，它开启了人类对火星探测的序幕。
人类首颗火星探测器——苏联"火星1A"（1960年10月10日）
接下来可以把从1960年开始到现在的火星探测任务，不太严格地分为三个阶段：第一个阶段是火星探测的初期，这个阶段虽然没有取得很多成果但也非常重要；第二个阶段是相对沉寂的时期；第三个阶段，又一个高潮期。
我简单介绍下这三个阶段的基本情况。
第一个阶段是1960年到1976年，这个阶段里实施了23次任务，到目前为止一半左右的火星探测任务是在这个阶段实现的。首先是1964年美国的"水手四号"发射，1965年掠飞火星，与火星擦肩而过，近距离拍摄了火星的第一张照片。这在火星探测史上是一个很重要的节点。到了1971年，"水手九号"成功实现了火星的环绕探测，并进行了更全面的遥感探测，绘制了85%火星区域的影像。"水手九号"在火星探测史上也是很重要的一个航天器，让人类对火星有了更进一步的认识。之后1976年的"海盗号"则更加出名，是人类在火星表面着陆的第一个航天器。即在1976年，它实现了火星的环绕和着陆，更真切地看到了火星的形貌。到此为止火星探测的第一个阶段就告一段落了。
水手九号（1971年，美国）传回了7329张火星照片，绘制了火星85%的地图，分辨率为1–2千米
海盗号（1976年，美国）以探寻火星表面生命为目标，完成了环绕+着陆火星探测
第一阶段为什么要告一段落？因为此阶段的火星探测主要有两个国家参加：美国和苏联。他们围绕着谁第一个到达火星、谁第一个着陆进行竞赛，这种竞赛成为了第一阶段火星探测的主要动力。但随着竞赛的第一名归属确定之后，接下来自然进入了一个没有驱动力的沉寂期。所以，1977年到1990年间基本没有火星探测的任务。仅苏联有两次对火星的"福波斯"（Phobos）探测任务，但最终也没有成功。
福波斯二号（1988年，苏联）
从1991年到现在，火星又进入一个新的发展时期，参与的国家变多，发展的驱动力也变了。不以竞赛的第一名作为主要驱动，更多的是以技术的发展和科学的发现作为火星探测的主要目标。这就回到了我们一开始讨论的"为什么要去探测火星"问题上来，回到了真正由技术和科学驱动牵引的道路上来。
在接下来30年的时间里，有了很多著名的火星航天器，如凤凰号、洞察号等；在探测形式上也有了很大的拓展，由过去的仅着陆变成了着陆并在地面开展巡视，以美国的航天器为代表。在火星探测上美国一直走在最前面，是每个探测项目的第一个完成者。如下图所示，1996年的索杰纳号在有限的小范围内实现了区域巡航；2003年发射的机遇号、勇气号，真正意义上实现了火星表面的巡视，巡视距离超过一个马拉松比赛的距离。机遇号的设计寿命虽然只有三个月左右，但取得的成就相当不简单。此外，还有后来发射的好奇号。
勇气号、机遇号，好奇号
接下来就来到了2020年。火星探测发射窗口的周期是26个月左右，2020年是个难得的探测机会，也是对于火星探测非常重要的一年。这一年有三个国家的航天器同期飞往火星：阿联酋的希望号，美国的毅力号，还有我们国家的天问一号。本来计划还有欧空局的ExoMars2020，但是由于一些原因被调整到2022年，否则2020年更加热闹。
非常值得庆贺的是，这三国的航天器都很好地完成了预定的目标。阿联酋的希望号成功实现了火星的环绕，美国的毅力号实现了着陆和巡视，我们的天问一号一举同时实现了环绕、着陆和巡视三个目标，把2020年、2021年的火星探测又推向了一个高潮。
我们来回顾一下世界各国火星探测的整体历程。日本实现了掠飞，欧空局、俄罗斯、印度、阿联酋实现了环绕，到目前为止成功实现着陆和巡视的国家只有中国和美国。在深空探测领域（包括月球和火星），我们国家起步很晚，到本世纪初才开始从月球的深空探测——嫦娥系列起步，到2014年真正开始天问的技术工程研制。因为起步较晚，如果一步一步对美国追赶则显得太慢；而且随着现在的技术积累和发展，我们有相应的条件一举实现环绕和着陆、巡视。
从1964年一直到2003年，美国从第一次掠飞到真正意义上的巡视用了39年。我们的这一步迈的还是比较大的，探测形式上达到了目前人类航天器对火星探测的最高水平。
天问长歌
点燃中国星际探测火种
对火星和火星探测有了基础的了解后，就来到今天的主题：我国的天问一号火星探测。首先简单的来了解一下我们的天问一号。
天问一号工程任务包含五个系统：探测系统或卫星系统，是飞行的主体；运载系统，要把卫星探测器送到预定轨道，即奔往火星的入口处；发射场，一个支持发射的地面设施，比如海南文昌发射场、四川西昌发射场，以及甘肃酒泉发射场等等；测控系统，航天器在轨飞行时需要与地面建立联系并对其轨道、位置进行测量，因此需要一个地面测控站通过传输无线电信号，完成信息的交互和速度、距离的测量等；应用系统，即对采得的科学数据进行接收、分析反演等。我主要负责探测器系统。
天问的探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成。下图是探测器的分解图，下面是一个环绕器，上面是一个着陆巡视器，整个探测器重达五吨，在我们发射的所有航天器中算是一个大块头。它总共携带13台载荷，目前全部在轨运行良好，获得了大量的科学数据。但这些数据还需要不断积累，希望能从中得到一些科学发现。这就是我们探测任务的基本情况。
我们的目标是什么？从工程角度来讲，要完成环绕、着陆和巡视，此外还要在地面建立起一套能支持我们未来深空探测发展的工程体系，其中包括地面实验设施的建造，计算方法、计算能力的提升，人才的引进，等等。所以一个航天任务工程，除了要把探测器打上天，也要在这个过程中积累、沉淀下来一些经验。
从科学的角度来讲，一共有五个主要任务。刚才提到13类载荷中，最热点的一个是对火星表面土壤特征和水冰分布进行调查。我们的火星车和环绕器都携带雷达，可以对浅层结构进行探测，观测浅层地下是否存在地下水。这是当今火星探测在科学上的重点，如果有了大量水的存在，就会把火星探测和利用又推向一个新的高潮。
接下来给大家简单介绍一下天问的研制过程。早在2007年，嫦娥一号成功环绕月球，我们就考虑能不能在嫦娥一号的基础上，用比较短的时间实现火星的环绕探测。但出于两方面的限制，后来这个任务并没有启动实施：一是当时地面测控设备有限，二是飞行器上的通讯、测控设备尚在使用模拟信号，因而通讯带宽难以做得很窄，灵敏度也不高，而地面又没有大天线、高功放，很难实现四亿公里的测控通信。
到2010年，嫦娥一号任务结束，嫦娥三号、嫦娥四号任务已经开展一段时间，此时大家得出共识，我们不能仅把目光停留在月球上，还要向更远的行星迈进。所以2010年把火星探测提到日程上来，又开始了新一轮的论证，但这个时候进展还是较慢。到了2014年，嫦娥三号成功着陆月球表面，我们的地外天体着陆技术又往前迈了一步，所以在2014年再次提出要去火星。这也是论证的转折点：在2014年之前，我们连月球都没着陆，不可能直接提及火星的着陆；2014年着陆月球之后，便开始了对火星的论证，由环绕变成了环绕、着陆加巡视，往前又跨一步。2014年开始，我们进入了准工程阶段，不仅做些纸面文章，还要做一些先期的关键技术攻关。所以我们工程真正的起点在2014年，直到2016年正式立项。
航天器的研制一般分为三个阶段：一是方案阶段，主要做设计，即论证它应该是个什么样子，应该有怎样的指标。接下来初样阶段就是要把图纸变成现实，并对设计进行验证，考核其电磁性能和在各种环境的工作状态等，从力、热、空间环境等各个方面进行综合考核。最后是正样阶段，通过初样验证后正式确定了状态，到正样阶段就把它生产出来，进行测试、考核，最终送到太空，完成既定任务。
2014到2016年是方案阶段， 2016年到2018年是初样阶段，2018年到2020年是正样阶段，每个阶段都是两年左右的时间。研制过程中还遇到了很多困难，虽然有月球探测的基础和经验，但火星探测的一些新特点还是给我们带来不少新的挑战。
到了2020年4月，我们进入海南文昌发射场，2020年7月23日，长征五号运载火箭把天问一号送到地火转移轨道。接下来就是一个漫长的旅程，从发射到真正着陆用了293天，其中去往火星的路上用了200天。2021年2月10号，即农历的腊月廿九，天问一号成功到达火星并被捕获，成为我们国家第一个火星的人造卫星，在火星轨道又飞行了三个月的时间，共走了4.74亿公里的路程。293天的魂牵梦萦，四亿公里的一路追寻，最终在5月15日、5月22日着陆和开始巡视。
天问一号的整个飞行轨迹如何？下图是俯瞰太阳系的视角，中间是太阳，里圈轨道运行的是地球，外圈轨道运行的是火星。由于地球运转的角速度和火星的角速度有差别，公转周期不同，所以在从地球到火星，要走的路线是浅蓝色的路线，而不是一条直线，类似于霍曼转移，这是在转移过程中能量消耗最小的一个轨迹。这就决定了发射时地球和火星固定的相对相位，而每26个月才会出现这样一个相对相位关系，所以每26个月才有一次发射的机会。
接下来转移的过程，中间进行了多次的轨道调整，飞行过程很长且非常复杂，修正和调整就为了它跟火星能够准确地交汇。
虽然卫星从发射到火星环绕历经四亿多公里，但这并不是任务中风险指数最高的环节，时间最短的火星进入过程反而是风险指数最高的环节。经过了将近300天的飞行，探测器开始进入着陆环节，着陆过程用时大概只有九分钟，却是所有过程中最惊心动魄的九分钟。
火星大气的影响范围是125公里。进入后首先靠气动外形进行减速，之后是伞系减速，在这个过程中配平翼展开，然后弹伞，气动外形大底抛开。大底抛开后，相关仪器可以测量相对火星表面的距离、速度等信息。在这个过程中有一个参考系的转换，之前的惯性导航将火星当成一个理想球，而此时可以直接相对表面测量飞行器的距离和速度，并得到绝对高度，而非相对理想球体的速度和高度。
在最后一到两公里时，把背罩抛掉，伞与飞行器分离。平台接下来只能依靠自身的发动机进行工作。动力减速过程中需要对障碍进行识别和规避，最后着陆到火星的表面。这个过程风险指数最高，后面会提到其中的难点和解决的问题。着陆到火星表面之后旋梯展开（如下左图所示.............
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