迄今为止,作为中国发射的首个火星探测器,“天问一号”一次性完成了火星探测的三大技术步骤。这三个步骤分别是绕火星轨道运行、着陆和巡逻,即进入火星轨道、在火星表面着陆和火星车在地表行走和巡逻。为什么中国航天局首次火星探测器着陆任务就成功打破了所谓的“火星诅咒”呢?“祝融号”着陆过程中涉及的各种航天技术又是如何发展的呢?
由于地球到火星的距离极其遥远,而且火星的表面环境非常复杂,探索火星的旅程从一开始就极其困难。到目前为止,人类探测器探索火星的成功率只有50%,火星表面着陆任务的成功率只有40%左右。因此,火星探索任务一直被称为“火星诅咒”。在中国的“祝融号”之前,只有美国能够将火星车安全发射到火星表面,前苏联、俄罗斯和欧洲的火星车任务都没有成功。为了实现火星探测的轨道、着陆和勘探任务,中国需要许多关键技术,包括但不限于:全球深空探测网络、重型火箭发射和卫星轨道控制能力、航天器大气再入和自主软着陆技术等。
深空探测网络
深空测控,一般是指利用来自地面的无线电信号对飞向月球和月球以外的卫星进行跟踪、遥测和遥控。一个国家要实现全球深空探测网络,不仅需要在本国领土内建立卫星监测站,还必然需要寻求国际合作,实现全空间覆盖。作为火星探索的先驱之一,美国在自己的领土上建立了自己的监测站,还在西班牙和澳大利亚建立了深空探测设施,并在“毅力号”探测器飞行和着陆期间与欧洲航天局的深空跟踪网络进行了合作。
相比之下,中国的深空探测网络起步较晚,但起点很高。自21世纪以来,中国已在国内建立或改进了7个航天探测网,天线的最大直径为70米。它们分布在全国各地,以确保尽可能广泛的空域覆盖。其中,2012年底由西安卫星测控中心在新疆投入使用的喀什深空测控站和佳木斯深空测控站,成功完成了中国月球车和月球采样返回计划,即“嫦娥探月工程”。
2015年7月,美国“新视野号”探测器飞越冥王星进行科学观测时,佳木斯深空测控站成功捕捉到了该探测器的信号,最长跟踪距离达到47.6亿公里。2017年9月,中国深空测控网络实现了对美国“卡西尼号”探测器坠毁土星全过程的跟踪测量,为后续实施更远距离自主深空探测任务积累了宝贵经验。为进一步满足“天问一号”火星探测器测控需求,2020年11月18日,我国首个深空探测天线阵列在新疆喀什完成调试测试任务。新建的3根35米直径天线和原来的35米天线组成了一个4×35米深的波束波导天线阵列系统,该天线具有66米直径的等效天线的数据接收能力,适用于各种类型的深空任务,具有更强大的测控支持。
除了领土内的空间站外,2014年,中国和阿根廷政府签署了一项协议,在阿根廷内乌肯省的拉斯拉哈斯市建立首个深空测控站。