牧夫天文|一个研究生的火星任务日记（四）——其实一切都还只是刚刚开始周一·知古通今|

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一个研究生的火星任务日记（四）
——其实一切都还只是刚刚开始
原作：徐鹏晖
编排：王璞
后台：库特莉亚夫卡李子琦
一个火星任务的设计内容当然不仅仅只包括轨道设计、载荷设计、航天器设计这几方面，还有运载系统、发射场系统、测控系统与应用系统。对于这些系统来说，火星任务能够选择的方案相对确定，因为我国经过几十年的基础设施建设和技术储备以后，这些系统相对比较成熟。
首先是运载系统。对于火星任务来说可选的运载火箭基本只有长征五号系列。从运力上来说，目前我国只有长征五号系列的火箭可以将吨级干重的航天器送去火星，如果使用长三乙，则航天器干重将会大大缩水，完全无法满足如此多的载荷一起前往火星进行探测的需求。另外还有整流罩尺寸的限制，长三和长二系列一般是在西昌和酒泉发射，火箭进场时是通过铁路转运的，而我国铁路标准轨距是1435mm ，由此限制了火箭单级和整流罩的最大直径。但长五是通过海运转运到发射场的，因此可以把箭体做大，整流罩外径也达到了此前没有的5m ，可以容纳大型组合体航天器。所以我们没有悬念地选了长五基本型作为运载火箭。

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长征五号遥四火箭
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【牧夫天文|一个研究生的火星任务日记（四）——其实一切都还只是刚刚开始】其次是发射场系统。众所周知我国目前有四个发射场，分别是酒泉卫星发射中心(JSLC)、西昌卫星发射中心(XSLC)、太原卫星发射中心(TSLC)和文昌卫星发射中心(WSLC) 。 JSLC以往一般承担载人航天相关任务的发射， XSLC则一般负责月球探测和中高轨的发射任务，太阳同步轨道任务一般在TSLC发射，而WSLC作为新建的发射场，具有纬度低、靠海等优势，同时由于前面提到的火箭转运方面的原因， WSLC成了我们目前唯一的选择。

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图一：酒泉卫星发射中心，图二：西昌卫星发射中心，图三：太原卫星发射中心，图四：文昌卫星发射中心
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此外还值得一提的有测控系统，经过多年建设，我国目前已经在地球上的多个地点建立了多功能一体化的深空测控台站，组成了深空测控网。我们在设计的时候选择了佳木斯站、喀什站和内乌肯站作为参考，虽然老师给我们的设计原则是如果可以满足数据接受要求的话能少用站点就少用，因为多一个站点就会给项目增加不少支出，但是最终的结果仍然是一个都不能少，也可见火星任务数据传输之紧张。（后日谈：天问一号在这方面实际上是寻求了一定程度的国际合作的，比如欧空局将利用法属圭亚那地面站进行跟踪，同时利用澳大利亚和西班牙的站点帮助进行8次通讯连接）

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图一：佳木斯测控站，图二：喀什测控站，图三：内乌肯测控站
图片源自网络
经历了4个月迭代设计之后，我们终于可以开始准备写项目建议书了。然而这东西同样是个硬茬，就算我们有6个人，每个人可以把自己负责的部分分着点儿写，平均分配到每个人头上的文字量比起我这四篇文章加一起只会多不会少，最后到统稿的时候初稿页数更是达到了113页之多。加上那段时间因为家里有事耽误了几天进度，我在DDL最后几天更是日夜加班争取完成统稿，文书写作工作量之大可见一斑。
项目建议书最后要求我们给个项目预算估计，于是我把小陈同学拉了过来：“预算这个咋写啊？”
“要不我们找几个同类型的项目，看看它们最后的决算是多少，比较一下给个大概区间？”
于是我上网找了一下。
“照这么算我们这个项目预算大概在80-140个亿啊，这么贵的吗？！”我是真有点吓到了。
“好奇号我记得最后的决算好像在25亿美元左右， MAVEN这样子的项目都有50个亿的人民币，我们这个毕竟是‘旗舰级项目’嘛，花个20亿美元不算过分。 ”
“这项目体量和花费这么庞大你怎么不早告诉我……”分页标题
100亿人民币是什么概念呢？为了能让读者有个更为直观的理解，我去国家财政部的网站上找到了2019年财政收支状况的数据[1] ，其中用于科学技术的支出为9529亿元。也就是说，如果这个火星项目的所有预算在一个财年内全部到账，它的支出占比将超过当年全国用于所有科技项目的1% 。可别小看了这1% ，这仅仅是一个项目的支出，而且九千多亿的经费得用在全国各个学科领域的各类研究上，这1%就变得不可小觑了。因此火星任务也是非常烧钱的。
初稿交上去后又经过了两轮修改，最终形成了项目建议书的终稿，也就是我们小组的结课作业， 4个多月的努力也算有了回报。答辩结束之后，老师让同学们发表对课程的感言，我就把我当时的发言贴在这里，作为这个系列科普文章的结尾，也算是对我希望对读者传达的内容的总结吧：
“其实在开始这个项目的设计论证之前我也和大家一样，对空间任务的认识仅仅停留在发射和在轨运行方面，每当从电视上看到又有什么卫星发射上天的时候，也只是习以为常地感叹一句：‘啊又有卫星上天了啊。 ’但是很多事情就像小马过河一样，自己试一试过后才知道里面的深浅。我现在回过头来看才发觉，空间任务的设计是一个目的性、系统性非常强的工作，里面涉及的东西并非看上去那么简单。特别是像火星任务这样的大型空间任务，系统里面的复杂性实际上可以说是超出了我们的能力范围。而在经历了这些之后，我在将来看待那些空间任务时也许会用一种更系统的眼光。另外关于负责火星任务的科学家和工程师们在看不见的地方所付出的巨大努力，我们也通过这种方式得以一窥。如果一个类似于这样的火星任务在现实中真的要付诸行动的话，我们现在顶多处于Phase0的阶段，将来还有很长的路要走。因此无论是我们，我们设计的这个项目，还是现实中对于火星的探索，一切的一切，其实都还只是刚刚开始……”（完）
（限于笔者水平和篇幅，文章对于火星任务的介绍难免有疏漏之处，还请读者见谅，此外本系列文章写作过程中得到了中国科学院国家空间科学中心郑建华、李明涛、高东、于锡铮几位老师的帮助，在此表示感谢，另祝此时已在前往火星的路上的天问一号能最终一路顺利完成任务。）
参考资料：
[1]http://gks.mof.gov.cn/tongjishuju/202002/t20200210_3467695.htm
责任编辑：艾宇熙
牧夫新媒体编辑部
『天文湿刻』牧夫出品

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天问一号拍摄的地月合影
图片来源国家航天局