本月1日21時，天問一號火星飛船如期進入佳木斯深空站測控範圍，在經過長達十幾小時連續跟蹤測量後，深空站於本月2日上午7時整向天問一號進行上行指令加註，飛船環繞器軌道控制發動機順利點火工作20秒，圓滿完成第一次軌道中途修正任務，繼續沿着正確軌道向火星飛去。

按照計劃後續還將安排三次中途修正和一次深空機動，目前天問一號已在太空飛行超過310個小時，與地球間的距離也已經超過300萬公里。

天問一號首次軌道中途修正

飛船在太空進行無動力飛行會產生微小的位置速度偏差，而天問一號地火轉移飛行全程有4.5億公里，正所謂差之毫釐謬以千里，即便是微小偏差最終也會導致數百上千公里誤差，這就是實施軌道中途修正的原因。深空機動則是因爲飛船初始運行的日心軌道與火星軌道並不在同一個軌道面，因此需要調向建立切入火星引力的正確軌道。

由於長征五號遙四運載火箭入軌精度極高，第一次軌道中途修正的主要職能並不是修正探測器飛行軌道，而是爲了驗證軌道控制發動機的實際任務能力，進行推力標定，以掌握這款新型發動機的實際空間推力數據。

天問一號軌道空間位置示意圖

實施軌道機動的3000N發動機是航天科技六院11所研製的YF-37型軌道控制發動機，該型發動機立項於2010年，並已於2016年定型，在正式執行任務前已在地面進行了充分測試，但是空間環境畢竟與地面環境有所偏差，所以需要進行空間推力標定，進而在後續中途修正任務中有的放矢。

型號總師蘭曉輝對該型發動機在第一次中途修正任務中的表現只用了一個詞，就是“非常優秀”。

YF-37型軌道控制發動機

理性認知火星探測難易程度，摒棄“刻舟求劍”思維

自天問一號發射入軌以來爲了吸引眼球或者說爲了強調任務的艱難性，媒體總是喜歡強調火星任務的成功率極低，他們經常拋出43%的總成功率，這是典型的“刻舟求劍”。

上世紀六十年代是人類第一輪探火高潮，總計實施了12次火星任務發射，其中有3次成功，成功率僅有25%。要知道這一時期的航天技術極爲稚嫩，有着極強的拓荒屬性，經驗也是極度欠缺，許多任務都是奔着刷新紀錄的目標。

火星-1A探測器（發射失敗）

比如，第一枚火星飛越探測器距離人類第一顆人造衛星發射僅有3年時間，屬於還沒學會走就想跑，許多探測器還沒飛離地球就因爲火箭問題導致失敗。甚至在1962年窗口期一口氣發射了三枚火星飛越探測器，結果無一成功全部失敗。

北方大國甚至在沒有掌握火星飛越探測能力的情況下要一步登天，在接連4次飛越火星探測失敗後，指望通過第五次任務登陸火星，結果又是毫無懸念的失敗。可以說人類火星探測總成功率較低的主要原因就是上世紀六十年代的一系列冒進嘗試。

火星快車號2004年成功部署運作至今

當時間進入21世紀，隨着航天技術尤其是深空探測技術的進步，火星環繞探測成功率已經上升至85%，甚至初次嘗試火星登陸任務的歐空局也收穫了“部分成功”的戰績。縱觀人類探火歷史，紮實的技術積累與科學縝密的任務準備往往是收穫成功的基礎。

天問一號看似一步登天的背後卻沒有任何冒進成分，因爲這款飛船作爲航天集大成者，繼承了一系列既有技術成果。

天問一號一步實現火星“繞、落、巡”

例如，長征五號運載火箭是嫦娥探月三期工程的發展成果、天問一號軌道控制發動機與嫦娥五號上升器發動機推力完全一致、進行上行指令加註的佳木斯深空站更是在嫦娥探月任務中屢建功勳、天問一號火星車與玉兔二號月球車也有着千絲萬縷的聯繫。

雖然有一系列成熟技術成果可供應用，但畢竟這也是挑戰殿堂級火星探測科目，伴隨天問一號發射任務巔峯高地已經連續發表多篇不同視角的相關分析文章，今天我們再來分析下天問一號任務中最兇險的進入/下降/着陸EDL全流程操作。

天問一號不走尋常路，進入艙多項世界領先技術加持

按照計劃，天問一號將於大年三十進入火星軌道，進入火星引力捕獲軌道後天問一號環繞器YF-37型3000N發動機將在遠火點工作，縱向機動變軌至停泊軌道，並在此進行爲期兩個多月的環繞探測。

遠火點縱向機動

期間將對位於火星北半球的烏托邦平原南端東經110.318度/北緯24.748度爲中心着陸點的赫斯伯利亞晚期低地單元使用天問一號環繞器搭載的高分相機進行局部高清成像，以服務接下來的EDL着陸任務。

天問一號環繞器搭載的火星高分相機

人們通常說着陸火星要經歷“恐怖七分鐘”，天問一號則不走尋常路，將着陸耗時由七分鐘提升至八分鐘，之所以產生時間差異是因爲我們選擇的着陸點海拔有將近負2000米的高度差，以此賦予着陸器更長的飛行控制時間，旨在提高着陸成功率。

按照計劃，天問一號着陸任務將於明年航天日前夕的4月23日實施，屆時環繞器YF-37型3000N軌控發動機制動點火下降高度，建立降軌姿態後包裹着陸巡視器的進入艙開始分離。

進入艙分離

進入艙將以14馬赫（4.8公里/秒）速度高速進入火星大氣層，這一速度雖然不及神舟飛船返回艙7.8公里/秒的再入速度，也遠不及月地轉移軌道返回再入地球大氣層的嫦娥五號T1返回器，而且火星大氣層也不及地球大氣層稠密，但它富含二氧化碳、氮氣、氬氣、甲烷等物質，進入艙化學與物理反應將更加複雜，爲有效保護着陸巡視器進入艙不同部位使用了性能各異的抗燒蝕材料。

進入艙需抵禦上千攝氏度高溫燒蝕

天問一號進入艙大底直徑3.7米，僅次於好奇號/毅力號使用的4.5米直徑隔熱大底，是人類有史以來第二大火星進入艙。大底與拐角部位是氣動加熱最嚴重區域，使用的是“超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料”，有着強度高、密度低的材料性能，可以耐受1.5MW/㎡熱流環境。

進入艙大底

防熱大底採用整體成型工藝，70000個蜂窩格子一次性灌注到位的製備技術與材料綜合性能同居世界領先水平。

超輕質蜂窩增強低密度防熱材料燒蝕情況

進入艙的艙蓋、封邊環、埋件、螺塞等部件則應用了強度更高的“連續纖維增強中密度防熱材料”，熱流燒蝕相對較輕的背罩部位則應用的是“超輕質燒蝕防熱塗層材料”，上述三種材料皆由航天科技一院負責研發製備。

天問一號進入艙採用球頭雙錐體結構設計，該構型是我們首次應用，經歷了充分的地面高超音速風洞吹風測試，與高空投放試驗。進入火星大氣層的最終目的就是將速度在距離火面僅100米時削減爲零，減速第一階段就是利用進入艙外形進行氣動減速。

進入艙採用球頭雙錐體構型設計

進入艙在進入火星大氣前利用姿控發動機建立再入姿態，此一階段被稱爲攻角配平段，進入火星大氣後展開位於背罩部位的配平翼繼續調整再入角度，以最佳再入角利用進入艙大底迎風面進行氣動減速，彈道升力體+配平翼也是我們首創的火星大氣進入方案。

時至今日我們依然保持着返回式衛星發展線，加上神舟載人飛船，以及嫦娥探月三期月球採樣返回飛船與新一代載人飛船的研發，全套掌握了近地軌道、高軌軌道、月地返回軌道涵蓋第一宇宙速度至第二宇宙速度再入返回艙的研發技術。

種類豐富的返回艙產品線

放眼當今世界同時推進上述任務的僅有我們一家，充足的技術積累與任務實踐經驗對天問一號進入艙的設計研發大有裨益，這是歐空局實施小獵犬2號火星登陸任務時完全不具備的條件。

再比如，通過嫦娥五號T1返回器的研製我們又掌握了居於世界領先水平的減速傘輕量化設計製備能力，減速傘與再入器質量比做到了2.4%，優於隼鳥號的3.2%和星辰號的4.4%，而且還在國際上首次揭示了降落傘尺寸效應原理。

減速傘研發能力居世界領先水平

減速傘輕量化設計能力的跨代飛躍對天問一號同樣至關重要，火星大氣密度僅有地球大氣的百分之一，同等尺寸減速傘減速效應在火星環境中會大打折扣，因此需要更大面積的減速傘，而火星進入艙對於重量也是極爲敏感，有了減速傘輕量化設計方案的加持則有事半功倍之效。

與之對比，歐空局ExoMars火星探測器就是因爲減速傘設計缺陷才導致被迫延期至兩年後發射。

ExoMars探測器因減速傘缺陷延期兩年

火星上空百米懸停，機器視覺系統再立新功

經歷氣動減速、減速傘減速後進入艙速度已經大幅下降，緊接着返回艙需要拋掉防熱大底，爾後防熱背罩與着陸巡視器脫離，此時着陸巡視器徹底暴露在火星大氣環境中，與此同時着陸器配置的YF-36型7500N變推力發動機開始制動點火，進入動力減速段。

接下來將進入動力下降階段

當着陸巡視器下降至距離火面僅100米高度時進入懸停避障階段，此時基於嫦娥三號/四號任務研發的機器視覺避障系統開始發揮功效。導航慣性測量單元測算探測器下降平移加速度與角速度、微波測距與激光測距相結合可以實現大範圍地形的高度感知、光學成像與激光三維成像結合可以精細識別障礙物。

懸停避障

基於機器視覺系統獲得着陸區精細數據後即可啓動姿態控制發動機進行橫向機動避障，鎖定着陸點後在7500N發動機變推力工況下緩速下降，距離火面還有兩米高度時發動機關機，進入緩衝着陸階段，此時由高效吸能合金製造的四條着陸腿將消化剩餘衝擊力，最終實現火面軟着陸。

着陸腿緩衝着陸

搭建深空天鏈，全程感知登陸火星動態

着陸巡視器實施火星登陸任務時地火距離達2.95億公里，雙向通信延時更是長達33分鐘，而整個降落過程也只有8分鐘，所以不可能依靠人工測控加以干預，但這並不代表地球測控系統就毫無作爲，掌握降落軌跡，確定着陸地點、與着陸巡視器建立數據傳輸通道等任務依然離不開測控工作。

天問一號環繞器中繼通信示意圖

天問一號進入艙與環繞器分離的同時，環繞器將同步抬升高度至中繼通信軌道，它負責將進入艙着陸過程中的通信數據源源不斷地中繼接力回傳地球，而天問一號進入艙防熱背罩也配置有數塊共形通信天線，着陸巡視器降落火面後由南京航空航天大學研製的應急通信信標也將在第一時間向地球發送着陸位置及狀態數據。

應急通信信標

很多人說運氣在登陸火星任務中佔有很大權重，但是上世紀九十年代以來索傑納號、勇氣號、機遇號、好奇號四輛火星車接連成功部署，難道都是靠運氣？顯然不是。

天問一號着陸火星流程示意圖

對於天問一號而言，迎戰未知火星的祕籍就是以往歷次探測工程錘鍊出來的經驗積累與紮實細緻的科學準備。