春節(jié)普天共賞 三星齊聚熒惑

于遠航

大家從2020年就高度關注的“三國同探火”，在2021年我國農歷新年前后又有了新消息——3個探測器相繼抵達火星。讓我們來一起看看，這3位“主角”都干了哪些“驚天動地”的大事。

火星作為目前太陽系內最受人類關注的行星之一，大約每隔26個月就會發(fā)生一次“火星沖日”，火星和地球將恰好與太陽來到一條直線上，這時火星與地球的距離會達到極近值，這段時間可以使用較小的代價將探測器送往火星。因此，人類的火星探測活動通常也會每隔26個月出現一次高潮。

2020年10月就有一次“火星沖日”的機會。而為了趕上這一機會，確定的發(fā)射窗口期是7月份。回首2020年，可以說是盛況空前，阿聯酋、中國、美國先后發(fā)射了自己的火星探測器。

2020年7月20日，阿聯酋首個火星探測器——“ 希望號”由日本的H-2A火箭從日本種子島宇宙中心發(fā)射升空，宣告2020年“火星季”正式開啟。緊接著在2020年7月23日，中國的“天問一號”火星探測器乘坐“長征五號”運載火箭從中國文昌航天發(fā)射場升空。2020年7月30日，人類組團奔向火星的最后一位成員，美國的“毅力號”火星車在經過了地面上的些許波折之后，也終于搭上末班車，由“宇宙神5號”火箭從美國卡納維拉爾角航天發(fā)射場發(fā)射升空，踏上了漫漫征程。

2021年，設計為環(huán)繞火星的阿聯酋“希望號”，已經于2月9日進入火星軌道，進行火星天氣探測、火星地圖繪制工作。設計為進行火星軌道探測和著陸巡視探測的我國“天問一號”探測器，也已經于2月10日進入環(huán)繞火星的運行軌道，開展繪制火星地圖、探測火星土壤組成等工作。而美國的“毅力號”火星車由于已經有了前輩的豐富經驗，以及先期部署于火星軌道上的探測器的支持，會直接登陸火星，進行樣本采集和暫時儲存，按計劃于北京時間2月19日降落在火星表面。

大家看到的“希望號”和“天問一號”進入火星軌道的精彩瞬間，卻是科研人員最“提心吊膽”的幾個瞬間，這是為什么呢？

從地球奔向火星，通常是在算好的窗口期，利用運載火箭加速到一定的速度，然后探測器與火箭分離，采用慣性滑行的方式，向著與火星的相遇點飛去。在慣性滑行的末端，盡管探測器感受到了強烈的火星吸引力，但由于速度依然較快，如果不做什么動作，探測器只會改變一下飛行方向，掠過火星進入宇宙深處。

因此，火星探測器進入火星引力影響范圍后，需要進行關鍵、危險的“剎車”動作，就是將發(fā)動機噴口朝向自己飛行方向反噴減速，讓自己被火星的引力“捕獲”，成為環(huán)繞火星飛行的衛(wèi)星。

這一動作的風險性極大，噴射角度、噴射啟動時間、噴射持續(xù)時間調整不好都會造成嚴重的后果。速度如果減得不夠多，探測器會掠過火星飄然而去;速度如果減得太多，探測器就會一頭栽向火星表面，往往會超過探測器的結構強度，導致在火星大氣中解體，或者一頭撞上火星表面。

這樣的制動減速被火星捕獲的機會只有一次，并且是要求高度自主控制的。因為火星制動的位置在火星背向地球的一側，無法進行監(jiān)測。而且火星軌道距離地球太遠，捕獲時與地球的單向通信延時超過10分鐘，探測器的地面控制人員不可能對制動過程進行實時監(jiān)視，只能由其自己根據預先植入的自主工作設置，自動實施變軌和捕獲操作。

在這最驚險的一刻過去之后，探測器要繼續(xù)調整自己環(huán)繞火星飛行的軌道，以便對火星表面觀測、與地球通信。不管是通過發(fā)動機點火機動，還是利用探測器多次穿越火星大氣層、通過與火星大氣的氣動阻力來減速，由于探測器攜帶的燃料有限，因此必須精確判斷和控制發(fā)動機開關時間，并保證點火的可靠性，才能順利完成軌道調整工作。

“天問一號”于2月10號進入環(huán)繞火星的運行軌道。此時，它距離地球約1.9億千米，飛行里程達到4.7億千米。當“天問一號”臨近火星時，需要讓自己來一個“急剎車”，將相對于火星的運動速度減下來，從而讓自己被火星引力捕獲，成為火星的一顆衛(wèi)星，進而成功實現火星探測任務的第一步，即環(huán)繞火星。

2021年5月份左右，“天問一號”將實施火星著陸。我國此次發(fā)射的火星著陸器將經過氣動外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動機減速，最后展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。

對于“毅力號”來說，有一個更加困難的挑戰(zhàn)需要面對，那就是登陸火星的“恐怖7分鐘”。也就是說，在這7分鐘內，“毅力號”必須完全依賴自主系統，準確完成登陸火星的一系列紛繁復雜的程序，才能避免在火星表面砸出一個大坑。

當天，地球和火星之間的距離為2.09億千米，整個降落過程始于火星上方100多千米處。此時，處于保護艙中的火星車正在以20000千米的時速下落。在只有400多秒的時間里，下降系統必須將火星車著陸時的速度降至1米/秒以下。

當然，大部分減速的工作是由能夠很好隔熱的啟動保護罩完成的。隨著不斷深入火星大氣，隔熱罩會由于大氣摩擦變得越來越熱，溫度超過1000攝氏度。

當速度降低至1200千米/小時，21.5米寬的超音速降落傘將從保護罩后部拉出展開，工作1分鐘多一點的時間，“毅力號”利用降落傘進一步減緩下降速度。

距離火星表面2千米時，火星車的下降速度會降低到100米/秒。這時“毅力號”和幫助其下降的“天空起重機”從保護罩中分離開來。隨后，“天空起重機”上搭載的8枚火箭同時點火，將“毅力號”火星車懸停至著陸點上方，火星車利用尼龍繩降至火星表面?！耙懔μ枴币坏└袘约航佑|到地面時，會立即切斷纜繩，避免被“天空起重機”拖離安全著陸點。

值得一提的是，在火星車著陸時，無線電信號從火星抵達地球的時間大約是700秒。這就意味著，當人類收到“毅力號”發(fā)來的關于進入火星大氣層的信息時，它可能已經成功降落在火星表面了。

在這有史以來人類拜訪火星最為密集的時刻，我們不僅欣賞到了壯美的航天科技場景，更是從中感受到了人類攜手探索宇宙的磅礴力量。此次三個國家的火星探測器齊聚火星，徹底擺脫了以往在火星探測領域美國一家獨大的局面，這說明近些年來航天技術實實在在的進步和廣泛傳播?！耙换í毞挪皇谴?，百花齊放春滿園”，相信隨著更多的國家掌握高端航天技術，人類的航天事業(yè)將迎來越來越繁盛的明天。

（本文摘編自《中國航天報》飛天科普周刊）