“祝融號(hào)”火星車成功著陸的秘密

文／龐之浩

5月15日7時(shí)18分，“天問一號(hào)”著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，邁出了我國星際探測(cè)征程的重要一步，實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的跨越，紅色火星首次有了中國印跡。

“天問一號(hào)”在今年2月10日進(jìn)入火星軌道后，環(huán)繞三個(gè)月后才在火星表面著陸，其最主要的目的是為著陸做準(zhǔn)備。因?yàn)槲覈堑谝淮翁綔y(cè)火星，需要對(duì)預(yù)定的著陸區(qū)域?yàn)跬邪钇皆M(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，以便著陸巡視器安全著陸。

環(huán)繞“偵察”三個(gè)月才落“火”

當(dāng)“天問一號(hào)”經(jīng)過預(yù)定著陸區(qū)上空時(shí)，會(huì)利用中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)和光譜儀等載荷設(shè)備對(duì)預(yù)選定著陸區(qū)進(jìn)行詳查，主要探測(cè)預(yù)選著陸區(qū)的地形、地質(zhì)、地貌以及是否存在沙塵暴等環(huán)境條件，為著陸巡視器的安全著陸做好準(zhǔn)備工作。

另外，要選擇一個(gè)比較好的氣象環(huán)境時(shí)期著陸，規(guī)避惡劣天氣對(duì)著陸巡視器著陸火星的影響。根據(jù)常年的統(tǒng)計(jì)，每年火星的五六月間，沙塵暴爆發(fā)歷史上很少有記錄，而且這個(gè)時(shí)期溫度也比較高。

安全度過“恐怖9分鐘”

探測(cè)火星最難的就是在火星表面著陸，要經(jīng)歷“恐怖的7～9分鐘”。因?yàn)榛鹦蔷嚯x地球遙遠(yuǎn)，著陸時(shí)達(dá)3億多公里，所以測(cè)控信號(hào)十分微弱，且信號(hào)單向延時(shí)就達(dá)18分鐘左右，地面無法實(shí)時(shí)控制著陸過程，需提前給探測(cè)器注入數(shù)據(jù)，由著陸器巡視器自主完成著陸。另外，當(dāng)探測(cè)器運(yùn)動(dòng)到火星背面時(shí)，確定其軌道參數(shù)較難，給探測(cè)器再入高度的選擇帶來困難。

“天問一號(hào)”著陸巡視器在著陸過程中，要經(jīng)歷進(jìn)入、下降和著陸三個(gè)階段，用9分鐘內(nèi)自主完成姿態(tài)調(diào)整、氣動(dòng)減速、傘系減速、動(dòng)力減速、懸停避障與緩速下降等10多個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都是一氣呵成，容不得有半分的差錯(cuò)，所以在火星著陸過程復(fù)雜、動(dòng)作繁多，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心，一招出錯(cuò)、全盤皆輸。有人形容在火星著陸的難度相當(dāng)于在巴黎打一個(gè)高爾夫球要落到東京的一個(gè)洞里。

在整個(gè)落“火”過程中，由于地火距離非常遙遠(yuǎn)，使得地火通信延時(shí)單程超過20分鐘左右。在落“火”過程中著陸巡視器和地面“指揮部”處于“失聯(lián)”狀態(tài)。

著陸過程步步驚心

“天問一號(hào)”著陸巡視器著陸分七步。

一是降軌。首先，“天問一號(hào)”在15日凌晨1時(shí)許降軌機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。

二是分離。4時(shí)許，“天問一號(hào)”實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器和著陸巡視器的分離。兩器分離約30分鐘后，環(huán)繞器進(jìn)行升軌，返回停泊軌道，再變軌至中繼軌道，為著陸巡視器提供中繼通信。環(huán)繞器升軌的同時(shí)，實(shí)時(shí)拍攝監(jiān)測(cè)著陸巡視器的下降過程。

經(jīng)歷約3小時(shí)飛行后，著陸巡視器在距離火星表面約125公里處進(jìn)入火星大氣。這時(shí)著陸巡視器調(diào)整姿態(tài)，防熱大底朝前，沿著進(jìn)入火星大氣的軌道滑行，瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的一個(gè)窄窄的進(jìn)入走廊，著陸巡視器與火星大氣層形成的這一夾角非常關(guān)鍵，角度太大會(huì)導(dǎo)致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈而燒毀，角度太小又實(shí)現(xiàn)不了進(jìn)入火星大氣層的目標(biāo)。

三是氣動(dòng)減速。此后，著陸巡視器進(jìn)入氣動(dòng)減速段，這是最主要的減速階段。進(jìn)入火星大氣時(shí)，著陸巡視器的速度可達(dá)每秒4.8千米，相當(dāng)于子彈出膛速度的6倍。進(jìn)入火星大氣后，要進(jìn)行升力體制導(dǎo)和展開配平翼，通過陸巡視器防熱大底和火星大氣的不斷摩擦來減速。經(jīng)5分鐘的減速之后，著陸巡視器的速度下降到每秒460米。

我國首次采用了基于配平翼的彈道-升力式進(jìn)入方案，降低了火星大氣參數(shù)不確定性帶來的著陸風(fēng)險(xiǎn)，提高了探測(cè)器的適應(yīng)能力。在氣動(dòng)減速階段展開配平翼，目的是減少探測(cè)器的晃動(dòng)，給后續(xù)打開降落傘創(chuàng)造更好的條件。

四是傘降減速。在著陸巡視器距離火星約11公里時(shí)，打開攜帶的超音速降落傘，使著陸巡視器的速度下降到每秒100米以下。在這90秒時(shí)間里，火星大氣層中風(fēng)的速度和方向，對(duì)落“火”的精度影響很大，有些時(shí)候甚至影響落“火”安全。

著陸巡視器降落時(shí)首次使用了超音速鋸齒形盤縫帶傘，采用了一頂主降落傘、一次性充氣展開減速的方案。傘的頂部是盤，接著有一圈縫，下面是帶，帶的尾部做成了鋸齒形，有利于承力和確保穩(wěn)定性。首次使用了一些新研制的特紡材料，并在傘繩連接等環(huán)節(jié)首次使用了插接工藝，相比縫紉工藝連接強(qiáng)度顯著改善。

五是動(dòng)力減速。當(dāng)著陸巡視器的速度降至100米/秒時(shí)，降落傘基本完成使命，此后把大底和背罩拋掉，露出著陸平臺(tái)和火星車。平臺(tái)上的7500牛變推力降落發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火工作，進(jìn)一步減小著陸巡視器的下降速度。它用80秒把速度減小到3.6米/秒，同時(shí)保持姿態(tài)穩(wěn)定，對(duì)地雷達(dá)隨機(jī)開機(jī)，并展開著陸緩沖機(jī)構(gòu)的4條著陸腿。

六是懸停避障、緩速下降。著陸巡視器在距離火星高度100米的時(shí)候，借助降落發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行懸停，同時(shí)對(duì)火面進(jìn)行成像，然后挑選相對(duì)平坦的區(qū)域進(jìn)行降落。

七是著陸緩沖。在最后的落“火”瞬間，垂直速度小于3.6米/秒，水平速度小于0.9米/秒，它利用4條著陸腿里的緩沖吸能材料，把著陸時(shí)的沖擊力緩沖掉，確保著陸巡視器平穩(wěn)著陸在火星表面。

“祝融號(hào)”火星車采用了哪些黑科技？

“天問一號(hào)”著陸巡視器登陸火星后，“祝融號(hào)”火星車將依次開展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢等，然后駛離著陸平臺(tái)并開展巡視探測(cè)。

為了保證“祝融號(hào)”在復(fù)雜的火星環(huán)境中順利完成預(yù)定任務(wù)，采用了不少新技術(shù)。

“祝融號(hào)”火星車采用了一種新型隔熱保溫材料——高性能納米氣凝膠，它用于應(yīng)對(duì)“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境，并且密度可以做到比空氣還輕，極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)。它可阻隔火星表面低至-120℃的極寒環(huán)境，也能阻隔著陸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高達(dá)1200℃的高溫?zé)崃?，保護(hù)著陸平臺(tái)的正常功能。

“祝融號(hào)”火星車除裝有太陽電池板外，在其頂部還裝有一個(gè)像雙筒望遠(yuǎn)鏡樣子的設(shè)備，叫作集熱窗，它可以直接吸收太陽能，然后利用一種叫作正十一烷的物質(zhì)儲(chǔ)存能量。白天，火星溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化；到了晚上溫度下降，這種物質(zhì)在凝固的過程中釋放熱能，效率可以達(dá)到80%以上。

針對(duì)火星地形復(fù)雜，既有松軟的沙地，又有密集分布的石塊，為了提高火星車的通過能力，我國打造出人類第一輛主動(dòng)懸架火星車。它在遇到復(fù)雜地形時(shí)可以把整車底盤提高，便于越過障礙。使用六輪轉(zhuǎn)向之后，火星車還可以蟹行運(yùn)動(dòng)，即可以實(shí)現(xiàn)橫著走。

“祝融號(hào)”火星車還能根據(jù)火星表面環(huán)境狀況，陽光是否充足，采用不同的工作模式。例如，陽光最好的午后，可以采用正常工作模式，并存貯一些電；陽光不好時(shí)，或有沙塵暴時(shí)，可減少一些工作設(shè)備；陽光很差時(shí)，或進(jìn)入夜晚后可進(jìn)入安全模式。

歷史上火星探測(cè)取得了哪些重大成果？

近20年來，探測(cè)火星取得了多項(xiàng)成果。研究發(fā)現(xiàn)，火星是一顆老年期的行星，曾有足夠的內(nèi)部熱能、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、具有全球性內(nèi)稟偶極子磁場(chǎng)、巖漿—火山作用活躍，形成了太陽系最高的火山山峰（奧林帕斯山）和太陽系最長(zhǎng)的峽谷（水手大峽谷）。

火星曾有比現(xiàn)在濃密得多的大氣層，表面存在過液態(tài)水，火星表面觀測(cè)到干凅的水系、湖泊和海洋盆地，火星有過適宜生命繁衍的環(huán)境，并可能蘊(yùn)育過生命。

火星存在小天體撞擊形成巨大撞擊坑和洪水沖刷的痕跡?，F(xiàn)今的火星表面是干旱、寒冷的世界，沒有液態(tài)水，大氣成分以二氧化碳為主，大氣稀薄，小于1%大氣壓，沙塵暴肆虐。

目前，全球內(nèi)稟偶極磁場(chǎng)已消失，成為區(qū)域性的多極子弱磁場(chǎng)；構(gòu)造和巖漿活動(dòng)已基本停息，水體可能轉(zhuǎn)入地下。