“祝融”落火

趙聰

2021年5月15日了時(shí)18分，中國“天問一號”探測器穩(wěn)穩(wěn)降落在位于火星北半球的烏托邦平原上。至此，我國首次火星探測任務(wù)順利度過了最為兇險(xiǎn)的階段——從進(jìn)入火星大氣層到著陸火星表面的“驚心動魄9分鐘”。

兩萬千米到零的降速

2021年5月15日7時(shí)許，“天問一號”著陸巡視器飛向火星大氣層，“驚心動魄9分鐘”拉開序幕。此前人類21次嘗試著陸火星，美國取得8次成功，蘇聯(lián)“火星三號”著陸20秒后失聯(lián)，其他嘗試均告失敗。現(xiàn)在，中國隊(duì)來到賽道。

著陸巡視器快速沖向火星，時(shí)速高達(dá)2萬千米，約為“和諧號”高鐵時(shí)速的70倍。從火星上空到達(dá)火星表面，總共只有不到10分鐘，如何在這么短時(shí)間里把速度從2萬千米降到零？火星著陸的終極手段是降速。

“天問一號”任務(wù)火星著陸共分為4個階段：氣動減速段、傘系減速段、動力減速段、懸停避障與緩速下降段?！盎鹦侵戇^程復(fù)雜、動作繁多，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心，一招出錯，全盤皆輸。”專家說。

第一階段為氣動減速段，火星既有的稀薄大氣與進(jìn)入艙產(chǎn)生摩擦實(shí)現(xiàn)減速。著陸巡視器被裝在進(jìn)入艙中，進(jìn)入艙分為背罩和大底，大底是一個盾形結(jié)構(gòu)，飛入大氣層時(shí)，大底斜向下對抗沖擊和燒蝕。

研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量風(fēng)洞試驗(yàn)，從積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開始，最終完成了進(jìn)入艙氣動外形和熱防護(hù)的研究、設(shè)計(jì)。

專家介紹，氣動減速階段有一個環(huán)節(jié)是展開配平翼，目的是減少探測器的晃動，為后續(xù)打開降落傘創(chuàng)造更好的條件。

氣動減速過程克服了高溫和姿態(tài)偏差，約5分鐘減速后，著陸巡視器的下降速度也減掉了90%左右，降到每秒約460米。這時(shí)，著陸巡視器距離火星表面約11千米，著陸進(jìn)入了第二階段——傘系減速段。

“如果能夠順利打開降落傘，火星著陸就成功了90%?！睂＜艺f。

開傘過程很巧妙。降落傘裝在彈傘筒中，彈傘筒有單門冰箱大小，裝在進(jìn)入艙背罩的正下方。收到控制系統(tǒng)發(fā)出的點(diǎn)火指令后，彈傘筒中的火藥點(diǎn)燃，產(chǎn)生的高壓燃?xì)馔苿觽惆鼪_開筒蓋，飛出進(jìn)入艙。隨后，降落傘以倒拉的方式展開。這頂降落傘是我國首次亮相的鋸齒形盤縫帶傘型，展開面積達(dá)到200平方米。很快，它充氣張滿，48根黃色傘繩拉得筆直。

據(jù)專家介紹，著陸火星，我國要首次在超聲速、低密度、低動壓的條件下開傘，以往航天器的降落傘不適合在火星使用，要么是不能在超聲速下完成對降落傘的穩(wěn)定充氣，要么是不能滿足低密度低動壓條件下的穩(wěn)定性需求。

針對火星探測任務(wù)，降落傘設(shè)計(jì)師首次設(shè)計(jì)使用了鋸齒形盤縫帶傘型，并采用了新研制的特紡材料，創(chuàng)新了傘繩插接工藝，提高了降落傘的強(qiáng)度與可靠性。

隨著紅白色巨型降落傘的展開，著陸巡視器下降變得更慢，隨后進(jìn)入艙的大底拋開，承載著“祝融號”火星車的著陸平臺率先與火星打了照面。

“祝融”穩(wěn)落火星

降落傘把速度降到每秒約95米，著陸巡視器距離火星表面1～2千米，此時(shí)，降落傘攜帶進(jìn)入艙的背罩與著陸巡視器分離。“祝融”露出頭來，呼吸到了火星上的新鮮大氣。

但降落還沒有停止，驚心動魄時(shí)刻并未結(jié)束，此時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)開始擔(dān)綱主力，火星著陸進(jìn)入第三個階段——動力減速段。

“天問一號”著陸巡視器推進(jìn)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師韓泉東介紹，著陸巡視器上配置了1臺了500牛變推力發(fā)動機(jī)和26臺姿控發(fā)動機(jī)。

其中，7500牛變推力發(fā)動機(jī)安裝在著陸平臺的正下方，為該階段減速提供主要動力;8臺250牛發(fā)動機(jī)方向與主發(fā)動機(jī)一致，配合主發(fā)動機(jī)實(shí)施減速;8臺水平安裝的250牛發(fā)動機(jī)可用于橫向平移;其余姿控發(fā)動機(jī)均用于精確姿態(tài)控制。

在多臺發(fā)動機(jī)的作用下，著陸下降速度從每秒約95米降至每秒約1.5米。

距離火星表面100米時(shí)，著陸巡視器懸停了下來，但還不是休息的時(shí)候，火星著陸過程進(jìn)入到最后一個階段——懸停避障與緩速下降段。

人類探索火星的減速方式大致相似，但到了最后一步，距離火星咫尺之遙時(shí)，方式開始多樣起來。綜觀以往，最后一步大致可分為氣囊彈跳式、反推著陸腿式和空中吊車式。

專家介紹，氣囊彈跳式適合小重量探測器著陸要求，反推著陸腿式可滿足重量較大的探測器在火星軟著陸要求，空中吊車式可滿足重量更大的探測器軟著陸要求。

我國“天問一號”著陸巡視器采用的是反推著陸腿式在火星表面軟著陸，這同我國探月工程“嫦娥三號”和“嫦娥四號”著陸月面的方式類似。

專家介紹，懸停在空中后，著陸巡視器搭載的微波測距測速敏感器、光學(xué)相機(jī)等6臺儀器都同時(shí)開啟，對火星表面進(jìn)行觀察和分析，判斷出火星表面哪里更平整，在哪里“落腳”更安全。

這一步同樣關(guān)鍵，如果著陸地點(diǎn)選不好，前邊所有努力或許都會付諸東流?！?00米的高度已經(jīng)能對著陸地形進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，看看有沒有大坑和大石塊，有的話就需要避開它。”

此時(shí)，在推進(jìn)系統(tǒng)提供的連續(xù)可調(diào)的軸向推力和強(qiáng)勁的橫向推力作用下，著陸巡視器尋找最優(yōu)著陸點(diǎn)，選擇更加平坦的地形，確認(rèn)最終著陸位置，實(shí)施緩速下降。

7時(shí)18分，4條著陸腿與火星表面第一次親密接觸。觸地后，帶有緩沖裝置的4條著陸腿有效抵擋了著陸瞬間的;中擊力，在與推進(jìn)系統(tǒng)共同作用下，重1.3噸的著陸巡視器穩(wěn)穩(wěn)地落在火星烏托邦平原南部的預(yù)定著陸區(qū)域。

闖過“驚心動魄9分鐘”，中國首個火星探測器平安抵達(dá)火星表面。從上空俯瞰，“祝融號”像一只展翅的大鵬，不日，它將駛下著陸平臺，在火星表面軋下第一道“中國印”。

（本文摘編自《中國航天報(bào)》）