为了打通地球和火星之间的“高速公路”，我们需要攻克这六大难题
到目前为止，
天问一号为我们到过最远的地方。
未来我们还要探索木星，
甚至探索太阳系的边界。
大家好，我是来自中国空间技术研究院的郎燕，目前主要从事行星探测相关的制导、导航与控制方面的工作，今天想跟大家分享赶往火星的故事。
天问一号是我国首个火星探测器，它由环绕器和着陆巡视器组成。这张照片是着陆巡视器“落火”之后，祝融号火星车和着陆平台的自拍照。这张自拍照是不是非常酷，在互联网上也非常火。想在火星自拍可不是那么容易的，目前只有中美两个国家做到过。
不同于探月工程通过嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号这三次任务逐步实现了环月、着月和月面巡视，在天问一号火星探测中，这一次任务就圆满实现了火星的环绕、巡视和着陆。这一壮举在世界范围内也是独一无二的，可以说是一举三得，体现了中国智慧。
天问一号在探火过程中经历了哪些困难和挑战？主要有以下六个方面：地火距离非常遥远，它是通过怎样的一条路径去火星，就是“如何去”的问题；在茫茫宇宙当中如何确定自己的位置，这就是要解决“我在哪”的问题；在飞行的过程中，它还要经过精确的姿态控制来解决“往哪指”的问题；在快到火星的时候，必须精确地制动减速来解决“怎么停”的问题；环绕之后，它还要为软着陆做准备，就要解决“从哪进“和“怎么落”的问题。
接下来我们就一起看一看天问一号是怎么攻克这六个难题的。
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如果将太阳到地球之间的距离定义为1天文单位（AU），那么地月之间的平均距离就是0.00256AU，而地火之间最短距离是0.38AU，最远的距离可以达到2.6AU。可以看到，地火距离比地月距离高了好几个数量级，所以天问一号的奔火之旅注定充满了许多挑战。
在地球上要去一个地方，首先会打开导航软件规划一条合适的路径，通常会选距离最短或者耗时最短的方案。天问一号也是如此，在它去往火星之前，地面的科研人员就会利用专业的轨道设计软件设计一条适合它的路径。
不过，即使是我国现役能力最强的火箭——长征五号“胖五”，也不足以支撑我们选择距离最短的方案。最终我们为天问一号选择的是一条燃料最优的方案。那到底是一条什么样的路径“最省油”呢？
▲左：多次加速的“弯弯绕”；
右：一次加速的直航航线
首先回顾下“嫦娥”们是怎么去往月球的。嫦娥一号是通过运载火箭，先被送入地球停泊轨道上，然后卫星自己还要再踩三次油门，逐渐加速，才能进入到地月转移轨道。嫦娥二号就不需要自己再踩油门了，因为这时候火箭的能力已经大大提升，可以把嫦娥二号卫星直接送入到地月转移轨道上，可以大大缩短奔月的时间。
我们借鉴了嫦娥奔月的经验，所以在天问一号奔火过程中，也采用了火箭一次加速就进入地火转移轨道的方式。它在地火转移过程中还进行了四次轨道中途修正和一次深空机动。到达火星附近以后天问一号又踩了三次刹车，最终被火星成功捕获，进入到了环火停泊轨道上。
地火高速公路到底是一条什么样的路呢？它的学名叫霍曼转移轨道。图中红色的轨迹是火星环绕太阳的公转轨道，蓝色的轨迹是地球环绕太阳公转的轨道。天问一号从地球发射，沿着橙色的轨迹，最终与火星相遇，这条橙色的轨迹就是霍曼转移轨道。霍曼转移轨道对发射窗口是有要求的，站在太阳的角度上，要求天问一号发射的时候，火星要超前地球大约44°。这时天问一号从地球发射沿着霍曼转移轨迹到达火星环绕太阳的公转轨道，便恰巧可以与火星相遇。每26个月才可以出现一次这样的窗口。
霍曼转移轨道上有四颗白星，表示需要进行轨道中途修正的地方。一颗黄星表示需要进行深空机动的地方。
轨道中途修正的目的是减小飞行器与预定轨迹之间的飞行偏差。比方说我们现在正开着导航在一条高速公路上行驶，导航提醒要在下一个路口进入辅路，那么我们就要尽快地向右变道为离开主路做好准备。这个变道的过程就相当于轨道中途修正。
从地球上向火星发射天问一号的时候，总会有一定的入轨精度偏差。天问一号在飞行的过程中会受到各种各样的摄动力，所以它必须经过若干次中途修正，才能在飞行几亿公里之后准确地到达火星。
深空机动就是要改变天问一号现有的轨道，让它进入一条新的轨道。图中紫色的轨迹就是深空机动之前的轨迹，绿色的轨迹是进行深空机动之后的轨迹，这条轨迹最终是与火星公转轨道相交的。在整个奔火途中，只需要进行一次深空机动。这个时间点是地面的科研人员根据入轨的弹道和地火转移的轨道联合优化之后得出的结果。
选择合适的轨道，就能提升运载火箭的运载能力，这就解决了如何去的问题。
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在茫茫的宇宙当中也没有路标，那怎么能确定自己的位置呢？答案就是要依靠地面建设的强大的深空探测网。
深空探测网又被誉为“太空守望者”，如果把天问一号比喻为风筝，深空探测网就是人手中牵着的那根风筝线。
在天问一号任务中，佳木斯站的66米天线、喀什站的35米天线以及国外阿根廷站的35米天线共同组建了一个庞大的深空探测网，为天问一号的奔火之旅保驾护航。这样完整的深空探测网也使得我们的测控覆盖率从原来的60%左右提升到了90%以上。
“天问一号”在奔火和环火的过程中，它是不是想往哪指就往哪指呢？肯定是不可以的。
▲上：指向地球；指向火星
下：指向太阳；指向火星车
姿态控制是天问一号飞行过程中非常重要的一项工作。比如说指向太阳，就可以获得能源并且可以做热控保温；指向地球，就可以实现跟地球深空探测网的通信；到达火星以后环火飞行，目的是实现火星表面的遥感成像，就要指向火星；祝融号落火之后，就需要指向火星车，为火星车和地球之间通信搭建一个中继的桥梁。
姿态控制是如何实现的呢？这里我为大家介绍一种神奇的装置，叫做动量轮。为什么说它神奇？因为动量轮调整姿态居然能够不用消耗燃料。
动量轮是一种通过角动量交换来实现姿态控制的装置。角动量守恒定理告诉我们，在一个孤立的系统中，如果系统中的一部分要朝一个方向旋转，那么系统剩余的部分要朝着相反的方向旋转，这样才能使整个系统的角动量保持不变。
天问一号在需要姿态调整之时，就是通过动量轮自身角动量的变化，引起航天器的姿态向相反方向变化。如果天问一号在飞行的过程中受到了外干扰力矩的影响，动量轮也可以通过角动量大小的变化，把外干扰力矩造成的冲量吸收掉，保持天问一号本体的姿态稳定。
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经过了漫长的旅途，天问一号到达火星之后最重要的一个工作是太空刹车。
天问一号从地球出发的时候要达到第二宇宙速度，才能摆脱地球的引力，飞向火星。站在太阳的角度上来看，天问一号的速度要比第二宇宙速度大。因为地球还额外赋予了它30千米/秒的地球公转速度，天问一号是两个速度的合速度。在接近火星之后，它的合速度要比火星环绕太阳的速度还快。
所以为了被火星捕获，就必须依靠推进系统所产生的反作用力进行制动减速。对于火星这种具有稀薄大气层的天体，还可以采用多次进出大气层的方式实现气动减速，这也是一种未来可以应用的方式。
接下来一个非常重要的工作是要为着陆做准备。要让着陆巡视器着陆到预定的着陆区，最关键的一个问题是找准进入的入口。这个入口位于火星大气层的上表面大约距离火面120千米高度的位置，如果入口偏了，着陆巡视器就很可能无法落到指定的区域。
从正确的入口进入之后，将面临“恐怖9分钟”。恐怖的原因是整个着陆的过程风险很高而且异常复杂、环环相扣，任何一个环节出问题就会导致着陆的失败。
天问一号依次通过气动减速、降落伞减速以及动力减速，经过三级接力减速之后，它的速度从最初的4.8千米/秒减为零。这时它在空中要进行一段时间的悬停保持，选择一片安全的着陆区，再经过最后的着陆缓冲，稳稳地降到火星表面。
这就是天问一号的奔火之旅以及成功落火的整个过程。
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在天问一号之后，我们国家后续还规划了天问二号小行星探测任务，它将实现小行星的伴飞和采样返回。
接下来还有天问三号火星采样返回任务，天问四号木星探测任务，还有未来的太阳系边际探测任务。
到目前为止，天问一号是中国人在太阳系到达最远的地方——火星。如果说把太阳定位在图片中中指指尖的位置，那么火星仅仅是在手掌心。未来我们要探索木星，甚至探索到太阳系边际。可以看到，这个距离是比张开双臂更远的地方。
要到这么远的地方去，必须得有足够的推进剂。但是目前，我们还没有这么大的火箭能携带这么多推进剂，“油”不够，这个问题怎么解决？
我们可以采用引力弹弓的方式。比如说，有一个小个子同学在操场上跑步，他跑步的轨迹恰巧和一个正在跑步的大个子同学接近了。大个子同学伸出手来拉了小个子同学一把。既可以帮助小个子同学加速，还可以改变速度方向。这个过程就类似引力弹弓，大个子同学类比成借力的行星，伸出的那只手就是行星的引力场。引力弹弓是利用引力获取行星的一些动量，并将之转移至自身，这种方式可以大大节省推进剂，是未来深空探测必备的一种方式。
除了引力弹弓，我们还有一种很好的方式来节省推进剂——电推进。我们现在采用比较多的是化学推进，它的原理是燃烧推进剂产生化学能，以产生高速的喷流。而电推进是利用电磁能对工质进行加速来产生高速的喷流。不管是电推进还是化学推进，它的原理都是使喷射出去的物质所产生的反向推力作用在航天器上。
电推进虽然推力很小，但是它喷射物质的速度非常高，这就是电推进能够大大节省推进剂的一个主要原因。在未来深空探测的过程中，电推进也是必备的一种推进方式。
▲左：基于放射性同位素能源：衰变能→热能、电能
右：基于核反应堆能源：裂变能→热能、电能
常规的航天器大部分采用的是太阳能，也就是说采集太阳能并把它转变成电能。随着迈向越来越远的深空，未来探测器接收到的太阳辐射会越来越少，怎么解决这个问题？基于可控核反应。空间核能有两种方式，一种可以利用放射性同位素衰变能的核能源，另外一种就是基于裂变核反应的核能源。
▲左：天文测角
中：天文测速
右：天文测距
随着深空探测走得越来越远，地面深空探测网的导航定位能力也会有所下降，那这个时候怎么确定自己的位置？必须得利用自主天文导航的方式。就像北半球的人在夜晚中可以利用北斗七星来辨别方向，那在宇宙中航天器可以观察太阳、月亮、行星、小行星以及X射线脉冲星等自然天体，利用它们实现天文测角、天文测速和天文测距，实现导航定位。
当然，这个时候探测器和地球之间双向通信的延时也会变得越来越大，所以通过传统的遥测遥控方式来人为参与就变得越来越难了。后续我们也会大力提升探测器的智能水平，让它可以在无人参与的情况下自主完成更多科学探测任务。
迈向深空的脚步有多远，对宇宙的认识就有多么的广阔。我热切地期望大家今后能加入到我们的科研团队，一起去研究更加先进的深空探测器，携手共同探索更多的宇宙奥秘。
谢谢大家！
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本文转载自“格致论道讲坛”，原标题《为了打通地球和火星之间的“高速公路”，我们需要攻克这六大难题 | 郎燕》。
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