“天问”的四大技术突破及和美俄欧日的对比_风闻

5月15日，天问一号成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。天问一号实现我国首次地外行星着陆，是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

探测器能到达火星并成功登陆火星，需过四大技术难关。

地球与火星之间是“三环”到“四环”的跨越，直线距离突破4亿公里，要经历发射入轨、地火转移、火星捕获、火星停泊以及离轨着陆5个阶段。 

一，要求有推力强大的火箭。

火星探测器需要进入地火转移轨道需要火箭具备足够强大的推力，才能将探测器送入到地火转移轨道。

中国最强火箭长征五号已经实现突破，成功送“天问”踏上火星之路。

火箭，由8台120吨液氧煤油发动机组成的助推器和2台50吨级氢氧发动机组成的芯一级动力同时点火，助力火箭从地面喷薄而起，工作到一定时间，助推器熄火分离，芯一级动力独自承担起助跑任务；当芯一级动力完成使命关机后，与火箭分离，助跑接力棒交到由2台9吨级膨胀循环发动机组成的二级动力手中，它们经过二次起动，将“天问一号”火星探测器送入地火转移轨道。

“天问一号”将经历地火转移、近火制动、环火飞行及火星着陆等一系列旅程。这期间，着陆巡视器和环绕器上配置的推进分系统将分别为探测器提供既定任务所需的全部动力。

3000N轨控发动机和7500N变推力发动机，将携手46台“小可爱”姿控发动机，一起助力“天问一号”完成奔火之旅。

二，要求有强劲星载电池，为长时远航提供动力。

地球与火星的最近距离约有5600万公里，最远4亿公里。

“天问”2020.7.23日升空，2021年2月10日成功环绕火星，深空飞行7个多月，环绕火星飞行3个月，这么长时的飞行需要持久动力。

“天问”的成功说明中国已掌握长期深空飞行的动力电池技术，甚可能是核电池。

三，要求深空远距通讯和控制技术过关。

目前的外太空飞行器，因为技术成熟度的问题，普遍不具备深空自主导航能力。必须依赖来自地球测控系统的全程导航、跟踪与测定轨保障。这一切的前提，就是要有分布全球的深空探测网。

火星距离地球最远约 4 亿公里。因此，深空探测器反射回来的信号非常微弱。想要成功捕捉信号，必须加大天线口径，增加发射功率，提升工作频段，提高接收机灵敏度。

近十几年来，中国分别建成新疆喀什 35 米口径深空站和黑龙江佳木斯 66 米口径深空站，并在地球另一侧建设阿根廷 35 米口径深空站，实现对深空探测器的全天候测距和测速。阿根廷深空站

中国的 VLBI 测轨分系统，由上海佘山站、北京密云站、乌鲁木齐南山站、昆明凤凰山站和上海天文台 VLBI 数据处理中心共同组成。“四站一中心”分布于天南地北，充分利用中国巨大的国土纵深。为准确地对深空探测器进行跟踪监测，及时向深空探测器发出控制指令，各观测站必须将观测数据实时发送到数据处理中心，进行数据处理后，再上报到位于北京的航天测控中心。

数据传输距离远，必须要有确定性低时延：

VLBI 数据传输要求时延低且恒定，从原始数据观测到测定轨数据发布，VLBI 系统整体实时性指标要求不超过 1 分钟。“天问一号”探测器的 VLBI 数据传输专线单向网络时延不超过百毫秒，且时延抖动幅度应小于 20 毫秒。

这个深空传输网络必须满足大带宽、高稳定、高可靠、确定性低时延、快速开通的要求。符合这个要求的技术方案只有一种，那就是光专线。

2007 年的“嫦娥”探月计划，运营商的光专线就已经应用于测控数据地面传输。

OTN，英文全称是 Optical Transport Network，光传送网。这是一种以波分复用技术为基础、在光层组织网络的新一代传送网，它也是目前倡导的全光网络的代表性技术。基于 OTN 技术的 OTN 专线，是 SDH/MSTP 等存量光专线的升级产品。

从“天问一号”探测器 7 月 23 日发射到 8 月，高品质光专线发挥稳定，保障包括 VLBI 测轨分系统在内的深空探测网能够正常工作。8 月 2 日“天问一号”探测器首次轨道中途修正，也在高品质光专线的支撑下圆满完成。

深空通信中继方面：2018年中国发射人类唯一的深空通信中继卫星“鹊桥号”。

没有这些技术的支持，就容易导致探测器失去控制，无法准确进入到火星轨道，任务只能是失败。因为控制不好探测器切入的角度位置，导致角度位置过大，火星的引力就无法捕捉到它。探测器就有可能会直接掠过火星。

如果角度位置过小，距离太近，那么就会导致探测器在大气层中坠毁或者是撞击到火星上去。最后一方面。就是要解决好探测器着陆时恐怖9分钟所遇到的各种问题。火星大气密度只有地球大气密度的1%，也就意味着大气对探测器的减速作用不是很大。要在这9分钟内。把探测器的速度从5.6公里每秒降到零，这个是相当困难的，稍有不慎就会造成探测器的坠毁。

四，天问一号的组成：由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成，总质量约5吨。

“天问一号”火星探测任务将一次性完成 “绕、落、巡”三大任务，采用全新的一代自主研发的飞控软硬件系统。

探火之路，动力领航。在“天问一号”火星探测器上，航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的两套推进分系统，共计48台大大小小的发动机。它们将分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力，为环绕器系统提供轨道维持、轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。

其中，环绕器上共有21台发动机，分别是8台120N发动机、12台25N发动机和1台3000N发动机。着陆巡视器推进分系统共有27台中室压发动机，分别为20台250N发动机、6台25N发动机和1台7500N发动机。

火星车搭载6种科学探测设备，将开展火星地表成分、物质类型分布以及气象环境等探测工作。  

神奇材料让火星车跑得更快更远。

 在“天问一号”火星探测器中，使用我国独立自主研发的多项“黑科技”，特别是，火星车采用一种新型隔热保温材料——纳米气凝胶。它将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境，并且凭借其超轻特性极大地减小火星车的负担，让它跑得更快，跑得更远。

巡视器/火星车：自由巡视火星表面细节。

火星车除装有光电转换效率较高的4块太阳电池板外，在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备，叫作集热窗，它可以直接吸收太阳能，然后利用一种叫做正十一烷的物质储存能量。白天，火星温度升高，这种物质吸热融化，到晚上温度下降，这种物质在凝固的过程中释放热能，这样效率可以达到80%以上。

火星车底部装有地表穿透雷达，可以研究火星土壤深处的元素分布情况。磁场感应设备，可以确认着陆和巡视区域的地表磁场情况。此外，重头戏将是研究巡视区域的土壤和岩石主要成分，查看常规的水、元素构成，同时，有机物也是一个需要搜寻的目标。作为一个整体的系统，火星车也会携带有导航、避障设别、微距相机等，为中国带来更多火星表面的细节。通讯设备、太阳能电池板、电池也是基本组成。

中国火星探测器组合体概念图（图源：国家国防科工局）  

轨道器主要负责将系统整体切入环绕火星轨道，进行全球勘探科研。用来研究火星全球磁场、表层元素、大气和中性粒子、全球地貌（高程）等，同时作为地面着陆系统的通信中继系统。  

中国火星探测着陆器和火星车组合方案（图源：国家航天局）  

着陆器主要负责软着陆过程，降落在火星表面，同时分析着陆点附近的情况，另一主要目标是释放火星车。  

中国航天科工集团有限公司研制生产的相控阵敏感器、高性能晶体元器件和电连接器、纳米气凝胶材料、加速度计、解锁分离装置等系列产品，为天问一号开展“火星环绕、着陆和巡视探测”作出重要贡献。

我国相控阵敏感器首次亮相太空 此次火星探测是我国首次独立开展的行星星际探测任务，旨在通过一次发射实现对火星的环绕、着陆和巡视。作为位置和速度测量的重要手段，相控阵敏感器在着陆阶段，持续为航天器提供高精度的测量数据，成功助力着陆巡视器安全着陆火星表面。

相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方，作用范围达数十千米，可谓火星探测器的太空“千里眼”。它和其他不同原理的测量敏感器一起，密切配合，“接力”引导航天器平安落地。

天问1号达到的地位：天问的技术部分超过美国，全面超过俄欧日。

上世纪70年代美国的海盗1号着陆器就已经着陆火星， 但海盗号探测器由轨道飞行器（环绕器）和登陆器组成，没有火星车，也就是说没法进行巡视任务。

其中轨道飞行器也就是环绕器重2.33吨，登陆器重1.2吨。中国的天问1号火星探测器由1.3吨的着陆与巡视器总重以及1.2吨的环绕器组成，加上2.5吨的推进剂，所以天问1号探测器总重达到5吨，而最重要的是，中国有重240千克的巡视器（火星车），这要求着陆器在着陆过程中一定要小心再小心，对着陆过程要求非常严格，这是当初的海盗1号在着陆过程中没有经历过的，两者在技术上也是无法比较的，超高难度的绕落巡一步到位，天问1号的任务是人类探索火星60年历史上复杂度最高的一次。

火星探测器在奔往火星的过程中一直是高速状态，在经过制动之后进入火星环绕轨道。在进行着陆之前，需要先将速度降下来，我国根据探月工程积累下来的经验，将通过4个阶段降落到火星表面。第1个阶段是气动减速阶段，需要将探测器的速度从4.8公里每秒钟减速到460米每秒钟，接下来探测器将打开降落伞，将探测器的速度进一步降低至每秒钟95米，随后进入到动力减速阶段利用反推火箭产生推力进一步减速，将探测器的速度降低至每秒钟3.6米。最后一个步骤就是悬停避障阶段，这个过程是在最后剩下的100米位置进行的，这个阶段叫做着陆缓冲段，在这一过程中，探测器将悬停在100米高度的位置对火星表面进行进一步观察，看看火星表面有没有一些大的石头或者坑之类的，有的话需要避开它，以确保安全平稳着陆火星表面，以上的这些操作完全由探测器自主进行。 这一次火星任务是我国完全自主的火星探测任务，第1次自主火星探测任务，在这样高起点高难度的挑战下，一次性完成三大任务，是世界航天史上的首例。

天问1号绕落巡三步，这个技术水平要比美国的机遇号、勇气号要强一些，但比好奇号还是要差一些的。

为什么不与欧空局、俄罗斯日本相比呢？

俄罗斯，欧洲前后差不多有20多次，可惜一次都没有完全成功。

日本发射火星探测器“希望”号失败。

1998年，“希望”号准备点火飞向火星，却因阀门故障造成推进剂损失。这次故障使航天器没有足够的加速度到达它的计划轨道，地面控制室在两次修正轨道时使用比原计划更多的推进剂，这导致“希望”号的任务不得不重新规划。新计划使“希望”号在日心轨道的时间又增加四年，推迟至2003年12月与火星相遇。

2002年4月21日，强大的太阳耀斑破坏“希望”号的通信和动力系统，这导致其姿态控制系统中的肼冻结。5月15日失去与航天器的联系，两个月后，控制人员发现航天器的信号。2003年12月9日，在进入火星轨道过程中，主推进器发生故障。日本宇宙航空研究开发机构表示，因无法维修，“希望”号已彻底“绝望”，首次探索火星任务的失败。

天问的成功表明中国深空动力，远程通讯控制，制导等技术达到一流水平。