中國航天史上最重磅大戲！中國火星車著陸火星烏托邦平原！

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作者：陳小美

根據(jù)國家航天局消息，北京時(shí)間2021年5月15日上午8點(diǎn)20分左右，我國天問一號(hào)著陸器確認(rèn)成功降落火星，著陸地點(diǎn)位于火星北半球的烏托邦平原，著陸器上搭載的是我國“祝融”號(hào)首輛火星車，這是我國首次實(shí)施火星著陸任務(wù)。

中國首次火星探測(cè)任務(wù)天問一號(hào)探測(cè)器將要一次性完成 “繞、落、巡” 的工作。今年 2 月，天問一號(hào)成功實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入火星停泊軌道，已經(jīng)完成 3 個(gè)月的繞飛工作。著陸階段則是本次任務(wù)的重頭，也是技術(shù)難點(diǎn)所在。

這次著陸成功，祝融號(hào)成為了人類史上第六臺(tái)探索火星表面的火星車。而在此之前，只有美俄兩國成功實(shí)現(xiàn)過軟著陸。

根據(jù)運(yùn)行情況，祝融號(hào)火星車原本預(yù)期最有可能于 5 月 15 日上午 7 點(diǎn)左右著陸火星烏托邦平原，事實(shí)著陸時(shí)間與預(yù)期相近。

光是要找到最合適的降落地點(diǎn)也一點(diǎn)都不容易，除了在出發(fā)前先根據(jù)已有的火星表面信息，選擇多個(gè)備選方案，探測(cè)器過去 3 個(gè)月時(shí)間里，在火星軌道上環(huán)繞飛行的同時(shí)，也在觀察和收集相關(guān)數(shù)據(jù)，為著陸做準(zhǔn)備。

火星表面有懸崖、洞口、溝壑，還有一堆亂七八糟的石頭，落點(diǎn)沒找好的結(jié)果，可能就是大老遠(yuǎn)送去的火星車在落地瞬間即翻車。

著陸過程一直是火星探測(cè)中最兇險(xiǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，被稱為 “恐怖七分鐘”。

在進(jìn)入大氣層前，探測(cè)器的速度約為 4.9 公里 / 秒，要實(shí)現(xiàn)軟著陸，探測(cè)器需要在不到十分鐘的時(shí)間內(nèi)將速度降到 0。

著陸火星減速過程包括大氣減速、氣動(dòng)減速、降落傘減速、反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速等，任何一個(gè)步驟都不能有差錯(cuò)，直至軟著陸在火星表面。

降落火星的第一個(gè)難題，就是進(jìn)入大氣層。

難就難在探測(cè)器需要以最完美的角度切入大氣層。角度太小就會(huì)像打水漂一樣，被反彈出大氣層。角度太大也不行，空氣阻力會(huì)變得特別大，溫度升高導(dǎo)致燃燒、融化。

在沖進(jìn)大氣之后，探測(cè)器開始減速，火星大氣是 “攔下” 探測(cè)器的重要因素。這就是氣動(dòng)減速，祝融號(hào)要用 290 秒左右將速度降至 460 米 / 秒。

高速、高溫為探測(cè)器帶來了巨大挑戰(zhàn)。航天科技集團(tuán)五院、火星探測(cè)器總體副主任設(shè)計(jì)師譚志云曾在接受采訪時(shí)表示，大氣減速的時(shí)候要面臨高溫的過程，還有氣動(dòng)帶來的姿態(tài)的偏差，這都會(huì)對(duì)減速造成不利的影響。

扛過這一關(guān)考驗(yàn)的是探測(cè)器的氣動(dòng)外形和放熱結(jié)構(gòu)。只要經(jīng)受住了考驗(yàn)，探測(cè)器的速度就能減少 90%。

接下來，像載人飛船返回地球表面一樣，打開降落傘，是祝融號(hào)減速的第二步。降落傘的任務(wù)，是在約 90 秒的時(shí)間里，把速度降至約每秒 100 米。

只要到這一步，祝融號(hào)自己的發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)準(zhǔn)備開機(jī)反推。這就進(jìn)入了動(dòng)力下降階段，探測(cè)器上的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)，靠自身動(dòng)力主動(dòng)反推減速。

走到這一步，80-100 秒時(shí)間已經(jīng)過去，不過地球上的人還是無法收到任何信息。

理想情況下，經(jīng)過周密計(jì)算，祝融號(hào)會(huì)通過一系列減速，到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，不過還不能著急落地。距離地面 100 米左右時(shí)，探測(cè)器進(jìn)入懸停狀態(tài)。最后用各種探測(cè)器看看下方的火星表明能不能安全降落。

祝融號(hào)上的微波測(cè)距測(cè)速敏感器對(duì)地面進(jìn)行測(cè)量，光學(xué)相機(jī)、三位激光相機(jī)也會(huì)對(duì)地面進(jìn)行成像。若發(fā)現(xiàn)地面不平整， 降落還存在風(fēng)險(xiǎn)， 祝融號(hào)會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)的幫助下，先進(jìn)行平移， 直到確認(rèn)地面適合降落。

當(dāng)自主確定著陸區(qū)域后，著陸巡視器會(huì)在緩沖機(jī)構(gòu)和氣囊的保護(hù)下，抵達(dá)火星表面。

如果進(jìn)展順利，地球上的監(jiān)測(cè)站會(huì)在探測(cè)器觸地后 10 多分鐘后收到相關(guān)的信號(hào)和降落時(shí)的拍攝畫面。

因?yàn)榫嚯x原因，火星發(fā)射信號(hào)到地球能接收到，用時(shí)超過 10 分鐘。所以，從收到前方信息，再發(fā)出信號(hào)進(jìn)行人工干預(yù)，信號(hào)傳輸需要超過 20 分鐘時(shí)間。

因此，探測(cè)器的著陸全程只能靠自己進(jìn)行。一旦進(jìn)入了火星大氣層，就必須按照預(yù)定的時(shí)序進(jìn)行預(yù)定動(dòng)作，沒有任何人工干預(yù)的成分。

從技術(shù)上來說，火星著陸的難點(diǎn)在于復(fù)雜的環(huán)境。比如火星表面有稀薄的大氣，密度相當(dāng)于地球的百分之一。探測(cè)器要依靠大氣減速，但目前對(duì)火星大氣的了解還相對(duì)有限。

中國倒是有豐富的載人航天經(jīng)驗(yàn)，載人飛船在回地球時(shí)也需要利用大氣減速。但火星密度相當(dāng)于地球的百分之一，因此對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)、外形、材料都有不同的設(shè)計(jì)。

此外，火星著陸相比飛向火星、環(huán)繞，幾乎沒有容錯(cuò)率，被稱為 “短暫而唯一” 的一環(huán)。

據(jù)新京報(bào)報(bào)道，中國航天科技集團(tuán)五院研究員、天問一號(hào)探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲接受時(shí)表示，進(jìn)入火星大氣的過程 “開弓沒有回頭箭”，探測(cè)器必須具備足夠的智能，判斷所有突發(fā)情況?！捌渌麕讉€(gè)過程在時(shí)間上都沒有那么苛刻的條件，遇到狀況可以等一等，但著陸的過程沒法暫停?！?/span>

為了這唯一的著陸過程，祝融號(hào)也準(zhǔn)備了很久。

今年 2 月，中國的天問一號(hào)、美國的毅力號(hào)和阿聯(lián)酋的希望號(hào)探測(cè)器經(jīng)過 6 個(gè)半月的飛行之后，都先后到達(dá)了火星。

圖 | 毅力號(hào)概念圖

雖然天問一號(hào)比毅力號(hào)早了約 10 天到達(dá)，但毅力號(hào)壓根就沒有帶環(huán)繞器，沒有環(huán)繞火星飛行的能力，到達(dá)火星之后，毅力號(hào)就直接把巡航級(jí)一扔， 火星車塞在氣動(dòng)外罩里直接扎進(jìn)火星大氣層。

但天問一號(hào)則一直繞著火星飛，進(jìn)行了三個(gè)月時(shí)間的勘探和準(zhǔn)備。

在進(jìn)入環(huán)火星軌道之后，來自中國的探測(cè)器終于可以近距離地好好看看這個(gè)神秘的紅色星球。也只有在更近的距離上，各種傳感器才有辦法獲得精度更高的地形信息，為著陸做準(zhǔn)備。

事實(shí)上，毅力號(hào)能夠到達(dá)即著陸，正是因?yàn)?NASA 早早就為它規(guī)劃好的了路線，美國至今在環(huán)火星軌道上留有探測(cè)器，在毅力號(hào)出發(fā)之前就畫好了一份著陸區(qū)附近的高精地圖。毅力號(hào)只需要要算好了按計(jì)劃別飛歪了就行。

中國的探測(cè)器此前從未成功到訪火星，因此天問一號(hào)則相當(dāng)于，需要自己先在環(huán)火星軌道上，近距離看清楚地形之后，再找準(zhǔn)地方著陸。

另一方面，現(xiàn)在環(huán)火星軌道上繞飛，有時(shí)間等個(gè)合適的著陸天氣?；鹦侵懸残枰刺?，火星表面時(shí)常會(huì)有沙塵暴，除了影響探測(cè)，更影響太太陽光照射。不同于毅力號(hào)直接帶了一個(gè)核電池給自己供電，對(duì)依賴太陽能供電的祝融號(hào)來說，在天氣方面需要更加謹(jǐn)慎。

還有一點(diǎn)，天問一號(hào)環(huán)繞器在環(huán)地球軌道上已經(jīng)開始了豐富的探測(cè)計(jì)劃，重要性并不亞于祝融號(hào)直接落到火星表面，環(huán)繞器上的 7 臺(tái)探測(cè)儀器，如今已經(jīng)工作了 3 個(gè)月時(shí)間。其中包括兩臺(tái)相機(jī)、火星軌道次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物學(xué)光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星高能粒子分析儀。

與此同時(shí)，環(huán)繞器需要持續(xù)繞火飛行，作為火星車和地球之間的通訊中繼，在進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的同時(shí)，也擔(dān)任了通信衛(wèi)星的角色。

天問一號(hào)環(huán)繞器的運(yùn)行像一個(gè)前哨站，同樣給未來的火星探測(cè)，打下一個(gè)重要的基礎(chǔ)。

這是中國第一次把探測(cè)器送到火星表面。

這么難得的一次機(jī)會(huì)，祝融號(hào)也在有限的小身子里，把能帶的東西都一口氣塞下帶去了火星。

“祝融號(hào)” 火星車的高度有 1.85 米，重量達(dá)到 240 公斤左右。車上 6 種有效荷載包括了地形相機(jī)、多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、表面成分探測(cè)儀、表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、氣象測(cè)量?jī)x。

第一次到火星，對(duì)祝融號(hào)來說，火星上的一起事物幾乎都是新的。帶著這一套傳感器，祝融號(hào)將在火星上開展地表成分、物質(zhì)類型分布、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及火星氣象環(huán)境等探測(cè)工作。

也別忘了在天上的天問一號(hào)環(huán)繞器，它也將和祝融號(hào)一起，一個(gè)在天，一個(gè)在地，探測(cè)火星表面的地形、土壤、水、大氣電離層，甚至尋找生命跡象等。

據(jù)了解，祝融號(hào)著陸的烏托邦平原地勢(shì)平坦，是古代海洋的海床，光照充足，年平均氣溫高達(dá) - 30 到 - 20 攝氏度，也被戲稱為是未來人類登火的最佳地點(diǎn)之一。

碰巧的是， 毅力號(hào)也在附近，祝融號(hào)登陸火星的地點(diǎn)，距離 NASA 毅力號(hào)著陸的位置大概有 1800 公里。

來自中美兩國的探測(cè)器從地球的兩端出發(fā)，經(jīng)過半年多的飛行，最終在上億公里之外的紅色星球上，成了鄰居。