火星|揭秘｜我国“天问一号”即将抵达火星轨道背后……( 二 ) 根据国家航天局近日公布的消

上述三个阶段只是从理论上对火星探测器的整体飞行轨道进行简单描述，实际上“精确轨道设计”作为航天关键核心技术，需要根据航天器的能量限制、测控范围等限制条件，依照轨道动力学相关基础理论，借助轨道设计相关软件、仿真工具来详细确定轨道参数。现实中，在发射之后的飞行控制过程更是远比设计和模拟结果复杂，需要结合对探测器的跟踪遥测结果，确定现实轨道和理论计算结果的偏差，并多次发送轨道修正指令，以防止因为火箭发射、探测器分离、姿态控制、导航等复杂过程产生的细微误差累积，导致最终与火星的交会结果“差之毫厘，谬以千里” 。目前， “天问一号”已经成功实施了数次误差修正，包括2020年8月2日用3000牛顿的推进发动机实施第1次中途修正，以及9月20日用4台120牛顿的发动机点火20秒实施的第2次中途修正等。
【火星|揭秘｜我国“天问一号”即将抵达火星轨道背后……】问：“天问一号”在进入火星轨道后还将面临哪些挑战？
答：在轨道飞行的第三阶段， “天问一号”进入火星引力影响范围后，需要进行关键、危险的“刹车”动作，让自己被火星的引力“捕获” ，这一过程与从地球表面加速、“逃离”地球引力范围的过程恰好相反。但是，这一动作的风险比从地球“逃离”时更大，体现在以下两个方面：
制动捕获机会的唯一性。不管是通过发动机点火减速，还是利用探测器多次穿越火星大气层、通过与火星大气的气动阻力来减速，由于“天问一号”携带的燃料有限，因此必须精确判断和控制发动机开关时间，并保证点火的可靠性，才能及时实施变轨或制动。
对自主控制的高要求。由于“天问一号”进入火星轨道时距离地球太远，捕获时与地球的单向通信延时超过10分钟，而且地面遥测定轨精度有限，无法对制动过程进行实时监视，因此不可能通过地球上科学家的实时遥控来“指挥”“天问一号”进行变轨和减速操作，而是必须由它自己根据预先植入的自主管理策略，自动实施变轨和捕获操作。
更加困难的还在后面——“天问一号”在进入火星轨道后需要实现轨道器和着陆器的分离，完成在火星上的着陆，并且释放能够在火星表面“行走”的巡视器——火星车。虽然我国已经多次完成月面软着陆任务，并且成功在月球表面部署了“玉兔”号月球车，但是火星的环境和月球大不相同：火星拥有稀薄的大气层，如果着陆器隔热措施没有做好，就可能导致着陆器因与大气摩擦生热而报废；火星表面的引力加速度（相当于地球的38%）比月球引力（相当于地球的17%）强得多，使下降着陆过程更加紧张、惊险；火星上有比月球更复杂的地貌和风暴、沙尘暴等天气，可能导致火星巡视器的太阳能电池板失灵；火星比地球和月球距离太阳更远，单位面积接受的太阳能量只有月球的40% ，导致火星巡视器的能源效率更低，等等。不仅如此，我国在进行月球着陆任务之前已经积累了多次月球探测经验，对月球地形、环境已经比较熟悉， “天问一号”则是我国首次成功抵达火星附近的任务，需要在缺乏关于火星大气、地表环境的一手数据的情况下，一次性完成“绕、落、巡”三大目标，技术挑战和难度不可谓不大。
从历史上看，其他国家实施火星探测特别是火星着陆任务的成功率也不高。根据《科学》杂志2020年6月统计，历史上人类共发射了18次火星着陆或火星漫游车任务，但只有10次获得成功，总体成功率只有55.6%左右。如果算上仅围绕火星运转、不执行着陆的火星轨道探测任务，目前人类实施过的火星探测活动约为40余次，完全或取得部分成功的只有20多次。由于“成功或部分成功”定义标准不一致，所以成功比例存在一定差别，但都不高于60% 。
当然，很多早期的火星探测任务是20世纪60年代至70年代在美国和苏联进行“太空竞赛”背景下开展的，当时人类技术水平有限，且这些探测任务受到“争夺第一”的强烈目标驱动，不计成本和风险，因此失败率很高。时至今日，由于拥有较好的技术基础，加上多年实施“探月工程”形成的宝贵技术和管理经验，相信我国能够克服上述种种困难，实现火星探测领域的突破性成果。一旦“天问一号”的任务目标能够全部实现，就可以毋庸置疑地说，我国在世界上首次创造了一次性实现“火星环绕、火星着陆、火星表面巡视”三大目标的工程奇迹，让我国迈入深空探测领域的国际领先队伍之中。