7月17日在中國文昌航天發(fā)射場拍攝的長征五號遙四運載火箭。張高翔攝（新華社發(fā)）
踏上“天問”之旅，中國人與火星的距離從未如此之近。
隨著火星探測序幕拉開，“天問一號”將通過一次發(fā)射任務，實現對火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三大目標，獲取火星探測科學數據，邁出我國行星探測的第一步。
發(fā)射窗口開啟 跨越億萬千米的星球“探險”
由于火星距離地球遙遠，因此探測火星需要選擇其與地球距離較近的時機，這樣的機會每隔26個月才有一次，而今年7月到8月正是火星探測器發(fā)射的窗口期。
從7月23日開始，地球和火星的距離將縮短到1億千米以內。發(fā)射時間確定后，長征五號遙四運載火箭將把火星探測器發(fā)射至地火轉移軌道，此后在地面測控系統(tǒng)的支持下進入環(huán)火橢圓軌道，運行到選定的進入窗口。隨后，探測器將進行降軌控制，釋放著陸巡視器組合體。著陸巡視器組合體成功軟著陸后，火星車將與著陸平臺分離，開展區(qū)域巡視探測和相關工程實踐活動。環(huán)繞器將為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學探測。
這段看似簡單的旅程，實際上充滿著挑戰(zhàn)和兇險。相比登月所跨越的38萬千米，地球到火星幾千萬千米的距離，對飛行器的測控通信是一項巨大的考驗。火星探測器發(fā)射升空以后，將“趕路”7到8個月的時間，預計在明年2月到達火星的引力勢場以內，然后再經過火星的捕獲，才能到達火星。
今年10月14日前后，火星與地球之間的距離將縮短到6200萬千米，是兩者相對最接近的時候。此時，火星、地球、太陽將在太空中排成一條直線，形成天文學上的“火星沖日”。這一天是從地球上觀測火星的最佳時機。屆時，當我們從地球“遙望”火星時，“天問一號”也將在奔向火星的路上。
“胖五”創(chuàng)造歷史 運載火箭拓寬中國航天舞臺
運載火箭的能力有多大，中國航天的舞臺就有多大。承載此次“天問一號”發(fā)射任務的長征五號遙四運載火箭，將創(chuàng)造中國航天的新歷史。
——這是長征五號火箭的第一次工程應用性任務，標志著長征五號火箭已經具備執(zhí)行國家重大航天工程任務的條件，承載起中國人探索行星的發(fā)射使命。
——為擺脫地球引力，火星探測器需要加速到超過第二宇宙速度（11.2千米/秒），從而去往火星。我國目前的運載火箭中，只有長征五號具備這一能力。如果發(fā)射成功，這將是我國運載火箭飛出的最快速度，也會是我國運載火箭首次執(zhí)行地火轉移軌道發(fā)射任務。
——作為我國發(fā)射的重量最重的深空探測器，火星探測器的重量達到5噸。在全世界范圍內，這一重量的火星探測器也是屈指可數，對運載火箭能力提出了極高要求。作為我國推力最大的新一代運載火箭，長征五號起飛推力超過1000噸，運載能力接近25噸，使我國現役火箭的運載能力提升了2.5倍。不同于目前常規(guī)火箭使用的化學燃料，長征五號的燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氫，被稱為“冰箭”。與此同時，長征五號大推力氫氧發(fā)動機和液氧煤油發(fā)動機均為全新研制，120噸液氧煤油發(fā)動機單臺的推力是目前中國火箭發(fā)動機中推力最大的。
——除此以外，長征五號火箭采用的5米大直徑箭體結構、全新活動發(fā)射平臺、三型高性能環(huán)保型火箭發(fā)動機等大量新技術，技術跨度大、研制難度高，代表了我國運載火箭技術創(chuàng)新的最高水平。
從1986年啟動設計論證，到2006年正式立項，再到2016年首飛成功，長征五號從無到有、進入世界主流火箭陣營，見證了中國航天人十年鑄一“箭”的艱辛探索。
從2017年長征五號遙二任務發(fā)射失利，到2019年遙三火箭重整行囊、圓滿回歸，再到今年長征五號B遙一首飛成功、遙四火箭蓄勢待發(fā)，中國大火箭正在走向世界航天舞臺的中央。
活動發(fā)射平臺 大火箭升空“穩(wěn)穩(wěn)的”
隨著長征五號遙四火箭靜待發(fā)射，有“大火箭”座駕之稱的活動發(fā)射平臺吸引了不少目光。據了解，這套活動發(fā)射平臺是我國規(guī)模最大、承載能力最強、系統(tǒng)最復雜、技術最先進的發(fā)射平臺。當倒計時結束之時，活動發(fā)射平臺將把大火箭穩(wěn)穩(wěn)地送上太空。
我國現役的各型號發(fā)射平臺的規(guī)模是根據現役運載火箭的實際情況研制的。其中，承載此次發(fā)射任務的“大火箭”活動發(fā)射平臺是由航天科技集團中國運載火箭技術研究院最新研制的。活動發(fā)射平臺高近70米，相當于24層樓的高度；臺體的上表面面積達600多平方米，相當于一個半籃球場，整個平臺自重近2000噸。
與以往的發(fā)射平臺相比，“大火箭”發(fā)射平臺還少了供電車輛。發(fā)射平臺上集成了原來發(fā)射塔上的上百臺地面設備，火箭的總裝、測試、跟地面設備的接口關系，都可以在技術廠房完成。這樣在運輸過程中就能夠保持接口不變、狀態(tài)不變，可以直接運輸到固定塔。科研人員的目標是三四天就完成發(fā)射準備工作，火箭在發(fā)射塔的準備流程可以成倍縮短。
在“大火箭”活動發(fā)射平臺的上表面，有12根柱子一樣的支撐裝置，這是火箭在發(fā)射臺上的“座椅”，研制人員用了3年多的時間開發(fā)出了“十二點調平技術”，讓火箭可以“坐”得又直又穩(wěn)，這不僅讓火箭受力較好，而且有利于火箭的瞄準、發(fā)射。
“大火箭”活動發(fā)射平臺上，像這樣的新技術還有十幾項，它們都是確保火箭安全、穩(wěn)妥、可靠的基石。正是這些先進的技術，才讓“大火箭”活動發(fā)射平臺的先進性遙遙領先于國內已有的發(fā)射平臺。
飛控測控升級 “探火”全程有保障
在中國首次火星探測任務中，北京飛控中心將擔任指揮決策中心、控制計算中心、數據處理中心、信息交換中心和飛行器長期管理中心。作為任務飛行控制中心，北京飛控中心還承擔著地火轉移軌道控制、火星環(huán)繞捕獲控制、火面遙操作控制和環(huán)繞器運行管理等任務。
據介紹，此次任務將全面采用新一代飛控軟硬件系統(tǒng)。首次火星探測任務相對載人航天和月球探測任務，具有航天器平臺新、探測領域新、實施周期長、測控模式復雜、軌道控制要求高以及應急處置難度大等特點難點。為此，北京中心科研人員近期開展了多次可靠性測試、壓力測試和穩(wěn)定性測試，完成了軟件第三方評測，并通過各項聯調演練，全面、系統(tǒng)地檢驗了新一代軟件系統(tǒng)以及國產化硬件平臺的功能性能和協(xié)同工作的匹配性，為任務圓滿完成打下了堅實基礎。
“天問一號”火星探測器進入地火轉移軌道后，西安衛(wèi)星測控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測控支持。火星探測器最遠探測距離近4億千米，地火轉移時間近7個月，對測控通信系統(tǒng)來說是前所未有的考驗。為此，西安衛(wèi)星測控中心重點對兩個深空站的對頻率綜合系統(tǒng)、多功能數字基帶、監(jiān)視和控制系統(tǒng)設備軟硬件進行升級，為任務執(zhí)行提供更加穩(wěn)定、強大的測控保障。
多國同臺競技 中國實現“繞落巡”一步到位
在國際競爭日趨激烈的今天，火星探測已成為目前及未來很長一段時期國際航天大國競爭的主要“競技場”。今年7月到8月，中國、美國和阿聯酋三國的火星探測器將“同臺競技”，原計劃同期發(fā)射火星探測器的歐洲航天局則將計劃推遲到2022年。
7月20日，阿聯酋首個火星探測器“希望”號由日本三菱重工業(yè)公司成功發(fā)射升空。如果一切順利，“希望”號火星探測器將于2021年初阿聯酋成立50周年之際抵達火星軌道。
“希望”號不僅是阿聯酋首個火星探測器，也是阿拉伯世界首個火星探測器。它重約1.5噸，設計壽命為2年，主要任務是觀測火星大氣的溫度和濕度，以及火星氣候的變化等。與中美兩國計劃發(fā)射的火星探測器不同，“希望”號不會在火星著陸，而是在距火星表面2萬至4萬千米的軌道上環(huán)繞火星運行。“希望”號繞火星運行一周需要大約55小時，它將持續(xù)圍繞火星運行至少兩年。
美國也將在今年再探測火星。美國航天局“毅力”號火星車計劃于7月30日發(fā)射升空，并將攜首架火星直升機“機智”號一同前往火星，其任務包括尋找可能在火星上存在過的生命跡象、探索火星的氣候和地質特征、為人類登陸和探索火星探路等。此外，“毅力”號還將攜帶43根樣品管，將采集到的巖石和土壤樣品妥善封裝，等2030年前后的下一次火星探測任務時，把樣品帶回地球。
根據計劃，中國首次火星探測任務將通過一次發(fā)射任務，實現對火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標。此外，任務還設定了五大科學目標，主要涉及空間環(huán)境、形貌特征、表層結構等研究。為此，火星探測器搭載了13種有效載荷，其中環(huán)繞器上7種、著陸器上6種，屆時將對民眾關注的科學問題開展探測。中國發(fā)射火星探測器，既是為了研究火星、為人類尋找未來家園，也能夠反觀自身、探究地球的過去和將來。
