飞向火星！中国航天如何修通4亿公里路？2031年将带回火星样品

这里没有现成的航线，没有沿途补给站。探测器一旦出发，数月飞行中的能源、通信、导航和控制，都要依靠事先设计好的系统完成。中国航天把路修到火星，修出的正是一整套跨越地月空间、进入行星际空间的能力。

今天回头看东方红一号，很容易觉得它只是一颗重量173千克的卫星。但在当年，把它送入太空，意味着中国必须独立完成从卫星研制到火箭发射的一整套工作。

1970年4月24日，长征一号把东方红一号送入预定轨道，中国成为世界上第五个能够独立研制和发射人造地球卫星的国家。那首从太空传回的《东方红》，背后是材料、电子、推进、控制和地面测控等多个领域的共同突破。

早期航天的难处，还在于许多问题没有国内经验可以参考。一个设计能不能用，不能凭想象决定，需要计算、试验、修改，再试验。技术资料、生产工艺和可靠性经验，都要在这个过程中积累。

到后来，中国开始发展载人航天。卫星时代积累的系统工程经验，继续支撑中国迈向载人航天。把人送进太空，任务要求随之改变。飞船除了能够飞，还必须保障航天员生存，能够处理异常，能够安全返回。

2003年，神舟五号完成中国首次载人航天飞行。2007年，嫦娥一号实现绕月探测。中国航天的活动范围逐渐从地球附近向月球延伸，也为更远的探测建立了技术基础。后来的火星任务，就建立在这些积累之上。

火星是地球的邻居，但这个邻居并不总在同一个地方。地球和火星都绕太阳运行，公转速度、轨道位置不同，两者之间的距离也不断变化，从5500万公里到4亿公里。

实际飞行又是另一回事，探测器从地球出发，要沿着设计好的行星际轨道，在合适的时间与不断运动的火星交会。

天问一号在2020年7月23日发射，经过202天飞行，于2021年2月10日进入环火轨道。抵达时累计飞行约4.75亿公里，距离地球约1.92亿公里，通信单向时延约10.7分钟。

距离带来的第一个难题，是地面无法即时指挥。按光速计算，在4亿公里距离上，无线电信号单程传播约22分钟。地面发出一条指令，探测器接收到后立即回复，回复信号抵达地球也已经是约44分钟之后，这还没有计入设备处理和实际执行的时间。

如果探测器正在进行几分钟内必须完成的关键动作，地面人员显然来不及根据现场变化逐步下达指令。

第二个难题，是信号越来越弱。在其他条件相同的情况下，自由空间中的信号功率密度大致随距离平方衰减。距离增加10倍，功率密度就下降到原来的约百分之一。探测器能够携带的能源和通信设备有限，不能无限增加发射功率。地面必须通过更大的天线、更灵敏的接收设备和更有效的信号处理，把微弱信号从噪声中提取出来。

导航同样如此，数月飞行中，一点速度误差就可能逐渐积累，影响最终交会。因此，天问一号需要中途修正和深空机动，持续调整轨道，最终准确抵达火星附近。从地球到火星，远的不只是距离。通信方式、控制方式和可靠性要求，都发生了变化。

火箭发射时，探测器能否走完长途，离不开分布在地面的测控设施。地面需要知道探测器在哪里、飞得多快、状态是否正常，再根据这些信息安排轨道修正和科学探测。探测器获取的数据，也要通过通信链路返回地球。

为支撑嫦娥一号任务，我国在青岛、喀什测控站新建18米口径天线。此后，喀什和佳木斯深空站投入使用，海外深空站也加入网络。测控能力从服务月球探测，逐渐扩展到服务行星际任务。

为什么需要多个站点？

因为地球在自转，一个地面站能够看到的天空有限，探测器会随着地球转动离开它的可见范围。不同地理位置的站点接力工作，可以减少观测和通信的空档。天问一号任务中，喀什、佳木斯和阿根廷深空站共同承担测控支持。它们接收遥测和科学数据，发送指令，并提供用于确定探测器轨道的测量信息。

接收到信号后，还要把其中的信息变成可靠判断。通过无线电往返传播时间，可以测量距离。通过信号的多普勒变化，可以判断沿视线方向的运动。结合多个站点的测量，再进行轨道计算，才能估计探测器的空间位置。

距离越远，这些工作越需要稳定的时间频率基准、可靠的设备和精细的数据处理。

多天线组阵也是提升接收能力的重要办法，它通过联合处理多副天线收到的信号，增强对深空弱信号的接收能力。天问一号任务前的能力升级和新建组阵系统，使我国跟踪、测量和数据传输的支撑范围，从探月任务的几十万公里扩展到数亿公里。

因此，把路修到火星，既要造出能飞过去的探测器，也要建成能够持续支持它的地面系统。

天问一号要在一次任务中完成环绕、着陆和巡视，这意味着环绕器、着陆系统与火星车必须协调工作，每一阶段还要为下一阶段创造条件。

首先是进入环火轨道。探测器高速抵达火星附近时，需要按计划启动发动机减速，才能被火星引力捕获。天问一号实施近火捕获制动时，3000牛轨控发动机工作约15分钟，最终成功进入环火轨道。

随后，环绕器开展探测，为着陆提供支持。真正进入火星大气后，着陆巡视器还要面对一段高度紧张的下降过程。

火星大气稀薄，降落伞不能独自完成全部减速。着陆系统需要把气动减速、伞降、动力减速和着陆缓冲接续起来，还要完成姿态控制、距离判断和避障。

2021年5月15日，天问一号着陆巡视器进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功着陆于乌托邦平原南部预选着陆区。5月22日，祝融号驶离着陆平台，开始火星表面巡视。

这九分钟里，地面无法像操作近距离设备那样，看到危险再及时接管。着陆系统必须依据自身测量，按照预先设计的逻辑完成一连串动作。

走到火星，接下来要解决的是怎样回来。2026年4月24日，国家航天局公布，天问三号计划于2028年前后发射，2031年前后携带火星样品返回地球。目前公布的是任务计划，后续仍要完成研制、试验和飞行验证。

火星采样返回，探测器需要获取和保存样品，从火星表面起飞，在火星附近完成样品转移，再踏上返回地球的旅程。

从火星表面起飞尤其困难，那里的上升器没有常规发射场保障，经历长途飞行和火面环境考验后，仍须可靠启动，把携带样品的装置送入预定轨道。

从东方红一号到神舟，从嫦娥到天问，中国航天前进的距离越来越远，背后能够解决的问题也越来越多。