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一个研究生的火星日记（一）
——不仅仅是发射那么简单
原作：徐鹏晖
编排：王璞
后台：库特莉亚夫卡 李子琦
“
又到了两年多才有一次的火星探测发射窗口期了，今年全球有多个火星探测项目等待发射。近日我国的首个自主火星任务——天问一号已成功发射，引发了大家对于火星探测任务的关注。正巧笔者在刚刚结束的这个学期中有一门名为“空间任务分析与设计”的课程，这个课程的小组课程设计就是火星探测任务的概念设计，因此想从另一个角度带大家看一看发射背后的那些事儿，领略一下一个火星任务的全貌。
天问一号发射现场
“我们这个课呢会以小组课程设计的方式考核大家对课堂所学知识的运用能力，最后这个ppt给了大家几个可以参考的空间任务选题，当然大家也可以自己设计一个题目，这个课程设计的结果最后是以一个空间任务项目建议书的形式呈现的。没有问题的话我们就下课了。”
老师说完后我们就陆续退出了线上会议室。今年上半年，因为众所周知的原因，我们的所有课程都改为线上进行。当天晚上下课之后我们小组群里就开始讨论起我们的课程设计要选个什么题目。
“要不我们参照《月球旅店》的文本构思来搞一个月球计划？”
“那个工程量也太大了吧，要真正建起来的话一次发射恐怕不行。”
“干脆去木卫二呗，要搞个深空任务就搞个远点的（滑稽）”
……
七嘴八舌一番讨论过后我们最后决定去火星，一来考虑到前往火星在路上花费的时间相对较短（不到一年就可以到达，而相比之下去一次木星则需要数年之久），二来月球计划我国已有嫦娥工程珠玉在前，而火星计划在当时则没有已发射的项目，再者火星任务可参考的案例比较多。
在真正的火星任务规划中，这个阶段被称为规划阶段，主要进行的都是概念性研究，包括提出一些基本设想、概念设计等等。一个太空任务完整生命周期由多个阶段构成，包括规划阶段、预研阶段(Phase 0)、方案论证阶段(Phase A)、方案设计阶段(Phase B)、初样设计阶段(Phase C)、正样设计阶段(Phase D)、发射阶段(Phase E)和应用阶段(Phase F)。我们平时在电视上或网络直播上看见的火箭发射过程只是发射阶段的一部分，而前面众多阶段花掉的时间短则几年，多则有十几年乃至几十年，这些都是参与论证的科学家和参与设计制造的工程师们的付出。而应用阶段同样也会持续数年时间，这背后同样充满了负责运行维护的工程师和负责数据处理的科学家们的汗水。
所以一个火星任务，不仅仅是发射那么简单。
想好了我们要去火星以后，接下来要确定一下任务的科学目标和任务概念，简单来说就是我们去火星要干什么以及我们大概怎么实现我们要干的事情。
对于天问一号来说，它的科学目标是：1. 绘制火星形态和地质结构图，2. 调查火星表面的土壤特征和水冰分布，3. 分析火星表面的物质组成，4. 测量电离层和火星地表气候及环境特征，5. 探索火星的物理场（电磁场、引力场）和内部结构[1]。至于任务概念，我们可以把这个任务描述成一个由巡视器和轨道器执行探测任务的，单次发射入轨，依靠霍曼转移到达火星进行探测的空间任务。
天问一号火星车着陆想象图
图片源自网络
照这个思路来的话，我们这个火星任务也需要先确定科学目标，就是我们去火星探测什么。
“这个事情其实挺难搞的。”小陈同学发话了。
“怎么说？”
“因为鹰酱已经去过火星不少回了，要说探测目标上要做出什么花来的话，比如地质、大气等等，已经很难再去找新目标了，虽然我们自己探测的相关数据还是空白。”
“科学目标得保证一定的创新性啊，不然项目过不了审批拿不到钱也是白搭，有没有什么别的可以创新的地方？”
“那要不我们也搞个登陆的，但是在登陆地点上做点文章。”
现在已有的火星登陆任务的着陆地点和我们小组规划的着陆区域，可见别的任务大都选在了平原区域，可能是一种为了着陆安全的保险考虑，但我们选在了水手谷附近，是一个山地+高原类型的地形。这个地方着陆存在一定风险，但是山地往往保留了一些平原没有的地质演化信息，因此说不定会有新发现
图片来源 小陈同学
经过多轮讨论之后（实际上这时候已经过了两三个星期了），我们小组基本确定了下面三个科学目标：1. 火星大气及地质演化探测（主要目标），2. 地火空间环境探测（从属目标），3. 无人机在火星的飞行可行性验证（从属目标），其中第一个是我们去火星主要干的事情，敲敲石头看看大气做点分析，第二个是给将来可能的火星任务探路用的，就像地球上新航线的开辟总需要有人试航，先搞清楚一路上的海况或者大气条件一样，第三个是考虑到着陆地点是个山地地形，空中单位行动起来会比火星车方便些，虽然在NASA即将发射的毅力号火星车上也搭载有无人机，但毕竟国内还没人做过这个事嘛。其实原来最原始的版本还有一个去火卫一探测的目标，但是发现不顺路，去一次得额外费老大劲了，就只好作罢。
由此任务概念也好确定了，要实现这些目标的话至少需要轨道器、着陆器、火星车、无人机几样东西，因此这可能也是和天问一号类似的一个多器组合体任务。
后来上课的时候我把我们小组的科学目标和任务概述交给老师审阅，老师给完修改意见之后，笑了笑，补了一句：“你们这看起来像是个‘旗舰级任务’啊。”经验丰富的老师应该是发现了什么，然而我还傻傻地蒙在鼓里，完全没有意识到“旗舰级任务”这几个字对我们几个学生来说意味着多少不可预知的难题。（未完待续）
参考资料：
[1] JIA Yingzhuo,FAN Yu,ZOU Yongliao.Scientific Objectives and Payloads of Chinese First Mars Exploration[J].空间科学学报,2018,38(05):650-655
责任编辑：艾宇熙
牧夫新媒体编辑部
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