中國首次自主火星探測任務天問一號將于 2020 年夏擇機發(fā)射，目標是通過一次發(fā)射任務，實現火星環(huán)繞和著陸巡視，開展火星全球性和綜合性探測，并對火星表面重點地區(qū)進行精細巡視勘查。這次任務過程復雜，亮點紛呈。

　　奔向火星

　　火星和地球一起圍繞太陽旋轉，它們就像在環(huán)形跑道上快速奔跑的兩名運動員，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，什么時候從第一名運動員那里出發(fā)?沿著什么方向加速?到第二名運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候從地球出發(fā)。天體運動關系決定了需要大約 26 個月，才有一次發(fā)射火星探測器的最佳機會，因為這時候發(fā)射最省能量。既然是窗口，那就存在一定的時間寬度，在 7 月底到 8 月初的半個月，都存在發(fā)射機會，運載火箭的能力越強，發(fā)射窗口就越寬。

　　不走尋常路

著陸巡視器外觀設計構形圖

　　開展火星探測，可以發(fā)射環(huán)繞器進行火星遙感探測，也可以單獨發(fā)射火星車，實現巡視探測。中國首次自主火星探測任務，將通過一次發(fā)射，實現“繞”“著”“巡”三個目標。

　　探測器將由長征五號運載火箭發(fā)射至地火轉移軌道，與運載火箭分離后，探測器將進行軌道機動，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。

　　運行一段時間之后，著陸的時機到來了，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。著陸巡視器進入火星大氣，利用氣動、降落傘、發(fā)動機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

　　這次火星探測任務中，最令人緊張的就是著陸前的 8 分鐘。

　　首先，探測器會瞄準進入火星大氣層的一個窄窄的進入走廊——角度太大會導致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈，角度太小又實現不了進入火星大氣層的目標。接下來的氣動減速段是最主要的減速階段，進入火星大氣時，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，專門開發(fā)的火星專用降落傘展開，進入艙的速度進一步下降到不到每秒 100 米，這一分多鐘時間比較關注火星大氣層中風的速度和方向，因為風太大影響著陸點的精度，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)動機開始工作，進一步減速，高度 100 米的時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。

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

　　整個過程，短暫又復雜，地面沒有干預的機會，完全靠探測器自主決定各個動作執(zhí)行的時機。

　　火星車登場

　　輪到中國第一輛火星車閃亮登場了。它有四片深藍色的翅膀，渾身金黃，兩根天線展開，就像蝴蝶的兩個觸角，整體視覺感受，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(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，這個過程需要大約一周時間才能完成。至于火星車要向哪個方向行駛，現在誰也不知道，因為這需要地面的科學家根據拍攝的圖像，判斷哪里有感興趣的目標，然后才能確定火星車的行駛方向。

　　受能源和通信限制，火星車不能滿負荷工作。每天午后是火星車工作的時間，這個時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，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，火星車利用儲存的電能，繼續(xù)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。有沒有效率更高的辦法呢?

　　在火星車頂部，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能，然后利用一種叫作正十一烷的物質儲存能量。白天，火星溫度升高，這種物質吸熱融化，到了晚上，溫度下降，這種物質在凝固的過程中，釋放熱能，這樣效率可以達到 80% 以上。
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