天问一号登陆火星过程研究性学习

天问一号登陆火星的主要过程及物理学原理研究性学习报告

研究小组组长：张锦宣

研究小组成员：张锦宣

所在年级班级：高一年级卓越七班

指导老师：潘斐学科：物理

研究时间：2020年7月15日----2020年8月31日

一、课题名称：天问一号登陆火星的主要过程和物理学原理。

二、课题研究背景：2020年7月23日12时41分，天问一号由神舟五

号遥四运载火箭从海南文昌航天发射场发射升空成功送入预定轨道。天问一号是中国自主发射的第一颗火星探测器。探测器将在地火转移轨道飞行约七个月后到达火星附近，完成火星捕获后进入环火轨道，随之择机展开着陆并进行火星探测任务。其既定目标是寻找当前和过去生命的证据并评估行星环境。

三、课题研究的目标、对象：简述天问一号登陆火星的主要过程和物理

学原理。

四、课题研究的方法和途径：通过上网查阅资料书籍

五、课题研究的步骤及其过程：

第一阶段：查阅有关天问一号的新闻，百科，科普文章

第二阶段：对有价值的信息进行摘要，总结

第三阶段：对信息进行编辑，并进行总结

六、研究结果以及分析和讨论：天问一号的成功发射，是对我国航天工

作者的辛勤付出的又一次肯定，也是对全国人民的一次鼓舞，作为中学生，我们有必要对天问一号的发射进行深一步的了解。通过此次研究性学习，小组组员已经对天问一号的相关知识有了一个初步掌握，并激发出对航天知识的浓厚兴趣。

七、正文：

（一）发射阶段：由于大气层的存在，在火箭发射的初期阶段里，为克服空气阻力往往要消耗大量能量，这就要求火箭要用最

短的距离冲出大气层最厚的部分以节省燃料，所以天问一号

等众多火箭都采用垂直发射的方式。而要是航天器在太空中

航行，必须使其具备第一宇宙速度（7.9km/s），然后依靠地

球引力提供向心力维持在轨飞行，而不至于因为重力坠落。

所以，火箭发射过程中还需要顺着地球自转方向，通过地球

引力向东逐渐倾斜，这样就可以充分利用火箭随地球自转的

惯性，获得较高的水平速度，以节省燃料，减轻火箭重量，

并使火箭达到合适的高度，进入环地停泊轨道。

（二）地火转移阶段：因为地球和火星的公转周期不同，这意味着火星探测器在地火两星距离最近时直线发射是行不通的，

所以天问一号采用的是曲线轨道，即霍曼转移轨道。当天

问一号进入停泊轨道后，会在合适的时机向后开启其3000N

的主发动机来加速，使天问一号获得第二宇宙速度

（11.2km/s）,由于速度变大，让天问一号维持在停泊轨道所

需的向心力也将变大，而地球引力无法提供足够的向心力，

这时天问一号将向远离地球的方向飞去，从而进入霍曼转移

轨道，此后，天问一号将以每天30万千米的速度飞行完5

亿千米后抵达火星。

（三）火星捕获阶段：为了成功抵达火星，而不至于“飞越”或“撞击”火星，在地火转移轨道上，天问一号需要经历四次

中途修正和一次深空机动修正飞行路径来精准“命中”火星，

在火星近火点实施制动，被火星捕获并成为火星的卫星。之

后天问一号会向前开启发动机，慢慢减速，由于火星引力大

于天问一号环绕所需的向心力，它将会慢慢飞向火星，进入

火星停泊轨道，之后观测火星表面，预选着陆地点并调整姿

态，为着陆做准备。

（四）着陆火星过程：天问一号通过减速进入火星大气层，通过整体和隔热大底气动减速约五分钟，着陆器从五千米每秒减

速至数百米每秒。由于火星具有大气，所以可以采用降落伞

减速，但是火星的气压仅为地球的百分之一，所以需要一个

十分巨大的降落伞来增加与空气的接触面积以增大阻力，平

衡重力。巨大的降落伞张开后，着陆器将减速至一百米每秒，

随后隔热大底，降落伞及支撑结构被抛向火星来减轻着陆重

量。随后，着陆器自带的反推火箭点火，最终在火星表面数

十米的地方悬停，确认着陆地点并缓慢着陆。至此，天问一

号才成功着陆，并开始工作。

八、主要参考文献和参考资料：

1.红星新闻《下一站火星：恐怖七分钟，天问一号五亿公里的闯关

之旅》

2.中国纪委国家监委网站《天问一号探测器成功发射探火之路要

经历什么》

3.中国科普博览（知乎）《探测器从地球发射到火星的具体过程是

什么》