科技改變生活 · 科技引領未來
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12月1日，中國探月工程官方公眾號透露——2021年11月，我國“天問一號”與歐空局“火星快車”任務團隊合作，開展了“祝融號”火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗，取得圓滿成功。“祝融號”和“火星快車”中繼通信示意圖|CNSA/ESA
12月1日，中國探月工程官方公眾號透露——
2021年11月，我國“天問一號”與歐空局“火星快車”任務團隊合作，開展了“祝融號”火星車與“火星快車”軌道器在軌中繼通信試驗，取得圓滿成功。
“祝融號”和“火星快車”中繼通信示意圖 | CNSA/ESA
“祝融號”作為我國成功著陸火星的首輛火星車，為什么會跟歐空局的“火星快車”合作，進行在軌中繼通信試驗呢？
這還要從上個月“天問一號”環繞器進入新的工作軌道說起。
遙感使命軌道
2021年11月8日傍晚，“天問一號”環繞器的四臺120N發動機工作近260秒，速度增量約78米/秒，順利降低了遠火點和近火點高度，成功完成第五次近火制動，準確進入近火點約265千米，遠火點約1.07萬千米，傾角約87°，軌道周期約7.08小時（每個火星日繞行約3.47圈）的遙感使命軌道。
在本次近火制動前，“祝融號”火星車著陸后，“天問一號”環繞器曾長期處在中繼通信軌道，該軌道的近火點也為250~400千米，但遠火點約1.6萬千米，比遙感使命軌道的高出約6000千米。相對的，軌道周期也更長，約8.2小時，即1/3個火星日。
這一特性使環繞器在每個火星日內，正好繞飛3圈，其中一圈的近火點，必在“祝融號”火星車所在的烏托邦平原上空，從而可為“祝融號”提供中繼通信服務。
可能有人會問了，“祝融號”與地面的通信非得靠環繞器這個信號中轉站，就不能直接和地面聯系嗎？
答案是，能，又不完全能。
“祝融號”具備直接對地通信能力，但由于地火距離最遠有4億千米，最近也有5500萬千米，直接對地通信鏈路的傳輸速率極慢，只有16bps。也就是說，“祝融號”每秒鐘僅能發兩個數字給地面，所以直接對地通信模式只用于傳輸拿來判斷火星車狀態的工程遙測數據，而數據量大的圖像和其他科學數據只能依賴中繼通信傳回地面。
既然如此，為什么“天問一號”環繞器要棄“祝融號”而去，轉去一條新的軌道呢？
因為，環繞器不甘只當“信號中轉站”，人家有著更重要的使命：火星全球遙感探測！
遙感使命工作中，環繞器上的中分辨率相機（分辨率100米，幅寬400千米）、高分辨率相機（分辨率最高0.5米，幅寬9千米）、次表層探測雷達、礦物光譜分析儀、磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀等7臺科學載荷，將獲取火星形貌與地質構造、表面物質成分與土壤類型分布、大氣電離層、火星空間環境等科學數據，重點關注隕石坑、火山、峽谷、干涸河床等典型地貌和地質單元，實施高分辨率探測。
火星全球高分辨率探測，要求環繞器相機在軌道高度低處（近火點附近）“拍照”，這樣的“拍照”還必須覆蓋火星全球，而不能一直只呆在“祝融號”上空。
這也是它此次變軌的原因——降低遠火點高度，加快飛行速度，利用火星重力場特性（軌道攝動）實現近火點漂移（改變近火點所在的經緯度），這樣就能實現不同區域的探測，覆蓋火星全球不是夢！
一般來說，近火點漂移的規律為從南到北、再由北向南，如此循環往復，約200天能夠實現對火星一次全球覆蓋探測。按此推算，明年6月，我們應該就能見到國產的火星全球高清高精影像圖了！
環繞器進入遙感探測軌道后，與“祝融號”中繼通信的機會必然相對變少。為此，中國航天局早前就與歐空局建立了合作共識，“祝融號”將在歐洲“火星快車”軌道器的幫助下，增加中繼通信的機會，提高通信速率和科研效率。
火星上的國際合作
“火星快車”是歐洲空間局2003年發射升空的火星探測器，于當年年底進入環繞火星的軌道，至今已運行了18年。
一般情況下，在建立中繼通信前，軌道器會先向火星車發送一個“發起”信號，隨后火星車回復“確認”信號，然后雙方建立穩定的雙向中繼通信鏈路——就像朋友打電話需先撥通電話一樣。
然而，“火星快車”發射頻率與“祝融號”接收頻率不匹配，不能通過“撥通電話”的方式建立通信鏈路。
好在“祝融號”發射頻率與“火星快車”接收頻率匹配，因此需要事先約定好通信時間，由“祝融號”直接發送數據，“火星快車”進行“盲收”。一旦檢測到“祝融號”發出的信號，“火星快車”就會鎖定并開始記錄數據。
“火星快車”搭載的MELACOM通信系統在設計之初時就具備盲收功能。這原本是給跟“火星快車”一同奔火的“小獵犬2號”著陸器準備的。
可惜，2003年圣誕節那天，“小獵犬2號”在著陸火星后失聯，“火星快車”的這項功能一直沒有機會啟用過。
這次與“祝融號”的中繼通信測試，是“火星快車”18年來首次在地外實測這一功能。
兩個探測器協商后，安排了5個用于本次測試的器間通信窗口（以下均為北京時間）：
在約定時刻，由“祝融號”向“火星快車”發送測試數據，通信距離約4000千米，通信時長10分鐘。
“火星快車”接收數據后轉發給歐空局所屬深空測控站，測控站接收后發送給歐洲空間操作中心（ESOC），ESOC再轉發至北京航天飛行控制中心，由中方技術團隊解譯后，判讀數據的正確性。
根據數據判讀分析結果，雙方任務團隊確認“祝融號”和“火星快車”配置的中繼通信設備接口匹配，符合國際標準，傳輸數據內容完整正確，試驗取得成功。
此次中歐雙方的火星探測合作，對我國而言，有助于提高祝融號的科學探測效率與地面所接收的數據量；對歐空局而言，既能共享祝融號科學數據，又能測試火星快車號的數據盲收功能。這可以說是一次“雙贏”的太空合作典范。
后續，在本階段試驗的基礎上，我國和歐空局進一步開展科學數據中繼通信合作。
在此，我們不妨再來回顧一下“天問一號”火星探測任務的歷程和亮點。
“天問一號”漫漫火星路
2020年7月23日12時41分05秒，“天問一號”在海南文昌航天發射場101工位由長征五號遙四火箭發射升空，踏上奔火之路，筆者有幸在現場見證了這一歷史性時刻。
歷時6個半月的航行，“天問一號”完成4次軌道中途修正和1次深空機動，于2021年2月10日通過第一次近火制動，順利被火星捕獲，開始環繞火星飛行。
有趣的是，在奔火途中，“天問一號”通過分離一臺特制的WIFI相機，在深空中拍下了自拍照（下圖），這在國際上尚屬首次。
進入環火捕獲軌道后，“天問一號”又在半個月內，通過遠火點平面機動、第二次和第三次近火制動，進入環火停泊軌道。
此時的軌道傾角由起初的10°變為約87°，即近乎垂直著火星赤道飛行，這是后續遙感探測所必需的條件；遠火點高度由約18萬千米降低至約6萬千米，軌道周期變為2個火星日，可確保每次飛到近火點附近都在預定著陸區域烏托邦平原上空，使探測器能不斷勘察著陸區域，為落火做準備。
經過3個月的精心籌謀，2021年5月15日凌晨，“天問一號”完美執行了降軌制動、兩器分離、環繞器升軌等一系列復雜動作。
當天7時左右，著陸巡視器以4.5千米/秒的速度沖入了火星大氣當中，開始了進入、下降和著陸（EDL）火星的關鍵而恐怖的9分鐘。
在這9分鐘的前一半時間內，著陸巡視器處在氣動減速段，通過與火星大氣的高速摩擦，減掉了約90%的速度。之后，在近2馬赫的情況下超音速開傘，進入降落傘減速段。
開傘后一段時間，在8.5km高度處拋掉大底。當速度降至100m/s，高度達1.2km時，背罩拋離，7500N變推力發動機開機，進入動力減速段。
在高度降低至約100米時，著陸巡視器開始懸停避障，通過“空中漂移”到合適的著陸位置上空，再緩速下降。
最終，在5月15日7時18分，水平和垂直速度都降低到0，并且4支著陸腿在著陸瞬間進一步緩沖著陸速度，使著陸巡視器穩穩地落在了火星烏托邦平原上（25.066°N, 109.925°E）！
5月17日，環繞器于完成了第四次近火制動，遠火點由6萬千米降低到1.6萬千米，軌道周期變為1/3個火星日，順利進入中繼通信軌道。
此后，環繞器在每個火星日都有4~6小時的時間開展中繼通信，既能將地面指令發給“祝融號”，也能把“祝融號”的科學數據傳回地面。
以6月3日-4日為例，一個火星日內的“天問一號”中繼通信機會分布情況（藍線、黃線為祝融號上空的環繞器高度角/兩器距離，高度角越高越好，兩器距離越小越好）
“祝融號”漫游紅色大地
2021年5月22日10時40分，“祝融號”火星車“走下”了著陸平臺，踏上火星大地，邁出了0.522米的第一步，以紀念5·22這一特殊日子。
在“祝融號”最初工作的90天內，為我們貢獻了許多驚艷照片！諸如“中國印跡”、“著巡合影”、背罩和降落傘照片，以及多次環拍成像與火星地形地貌成像。
有趣的是，“天問一號”/“祝融號”還準備幾個小彩蛋：
著陸平臺上藏有2022北京冬奧吉祥物“冰墩墩”和 “雪容融”（黃圈處）。
“祝融號”火星車表面和“天問一號”著陸平臺上，各有一面國旗，都采用輕量化的特殊材料設計，后者更是設計了類似中國傳統文化中書畫/畫軸的展開方式，利用形狀記憶復合材料實現國旗的鎖定和釋放。
“天問一號”的主降落傘上帶有兩個“火”字。這頂主傘是鋸齒形盤縫帶傘，展開面積達200平方米，共有48根傘繩牽引。著陸火星最難的步驟便是2倍聲速的超音速開傘，以往國外不少探測器折戟于此，而“天問一號”第一次就能獲得成功，離不開4次超音速高空開傘試驗的堅實保障。
“祝融號”火星車“腦門”上的“火”字車標，其設計源于出土于黑龍江海林縣的一枚800年前北方金朝印章“恒術火倉之記”。這是一個不太大的官的印章，該“火”字是用九疊篆的手法將字形抽象處理得到的。
“祝融號”火星車行駛留下的車轍印上帶有“中”字，不但具有中國特色，而且蘊涵著一定的科學道理：正常在行駛比較堅硬的地面上的話，兩個“中”字之間的距離是1米；若兩個字之間距離較小，如0.5米，則說明火星車在打滑，很可能出現沉陷，就比較危險了。所以，這個“中”字可輔助測量車行駛的滑移率，是判斷火星車是否行駛正常的視覺依據。
“祝融號”火星車在巡視探測期間，按照“七日一周期，一日一規劃，每日有探測”的高效探測模式運行，6臺科學儀器各顯神威：
2021年9月13日至10月18日，“祝融號”進入日凌階段，開始了一個多月的休假。
所謂日凌，即地球與火星公轉到一定位置時，地-日-火幾乎連成一條直線，太陽橫亙在地火之間，并干擾地火之間的通信聯系。
如此一來，就無法保證火星車能收到正確的地面指令了，所以為安全起見，需暫停“祝融號”巡視探測工作，原地待命。
日凌期間的“祝融號”，雖然不再移動，但控制系統和各電子設備仍保持正常運轉，“大腦”還是清醒的。
環繞器則與地面持續保持功率較低的低增益天線通信，科學家從中獲取了日凌狀態下深空測控通信受干擾情況的實測數據，為后續任務應對日凌積累了一手數據和工程經驗。
出日凌后的“祝融號”火星車，至今的工作時間已超90天設計壽命的2倍，成為我國又一個超期服役的深空探測器。
截至12月1日，“祝融號”火星車在火星表面工作196個火星日，累計行駛1297米，獲取巡視探測原始科學數據約10GB，能源充足、狀態良好。
后續拓展任務階段的“祝融號”火星車，計劃向南行駛，探測距其2千米處的沿陡坎分布的沉積狀沙堆，以研究沙堆的物質組成和區域地形抬升的原因；遠景探測目標則為距其20千米處的疑似泥火山區域。
如無意外，“祝融號”大概率將在火星這顆孤寂的紅色星球上，進行長達數年至十數年的科考探索，相信最終行駛里程也會達到數十千米。
我國首個火星探測任務的“天問一號”所取得的巨大成功，使我們成為繼美國之后，第二個在火星表面實現巡視探測的國家，并且是當今世界上唯一一個同時開展月球和火星巡視探測的國家。
值得一提的是，它還開創性地一次性實現了繞、著、巡三大目標，在這看似大膽的背后，是10年前的籌劃，千軍萬馬為之奮斗6年揮灑的無數汗水。
現在，“天問一號”已然踏上新征途，我們或將看到更多國產的高清火星表面照片！科學家也有望獲得更多新的線索，用于揭示火星地質地貌成因、地下水冰分布、遠古海洋發展與消失、火星氣候演化等問題。
未來，“天問二號”火星采樣返回任務已經立項，甚至載人登火，都將慢慢成為現實。
果殼將持續帶來中國深空探測進展，敬請期待。
作者：Phil Leaf
編輯：Steed
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