天問(wèn)一號(hào)，“牛”！

季海

2021年5月15日，火星迎來(lái)了一位來(lái)自地球的新訪客——中國(guó)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器。在經(jīng)歷7個(gè)月的長(zhǎng)途跋涉和3個(gè)月的環(huán)繞火星飛行后，天問(wèn)一號(hào)十分漂亮地降落在火星表面。5月23日，祝融號(hào)火星車(chē)從天問(wèn)一號(hào)著陸器駛出，正式“踏”上了火星的土地。我國(guó)成為全球首個(gè)一次探測(cè)火星就實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”的國(guó)家，也是繼美國(guó)后第二個(gè)在火星上“開(kāi)車(chē)巡視”的國(guó)家，引發(fā)了國(guó)際航天界和全球媒體的廣泛關(guān)注。

盤(pán)點(diǎn)人類的火星探測(cè)史，天問(wèn)一號(hào)取得的成績(jī)有多牛？就讓我們來(lái)了解一下吧！

獨(dú)門(mén)利器——長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭

首先我們要說(shuō)一說(shuō)，為什么天問(wèn)一號(hào)能一次實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”任務(wù)？這是因?yàn)樘靻?wèn)一號(hào)擁有獨(dú)門(mén)利器！

2020年7月23日12時(shí)41分，天問(wèn)一號(hào)乘坐長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)順利升空，直奔火星。天問(wèn)一號(hào)由環(huán)繞器、著陸器和巡視器組成，總重量達(dá)到5噸左右，是迄今為止人類向火星發(fā)射的重量最大的探測(cè)器。

與此對(duì)應(yīng)，美國(guó)毅力號(hào)火星探測(cè)器由大力神四號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，重量為3.65噸，只要完成“落”與“巡”就可以了。美國(guó)有火星在軌衛(wèi)星，所以“繞”這一步不需要了。

2016年，由俄羅斯質(zhì)子-M火箭發(fā)射的歐空局衛(wèi)星TGO，發(fā)射重量為3.76噸，完成的是“繞”與“落”的任務(wù)，只有固定位置的著陸器，沒(méi)有火星車(chē)。最后“繞”成功了，但是“落”失敗了。

正是因?yàn)槲覈?guó)有了遠(yuǎn)超美歐對(duì)手的發(fā)射能力，天問(wèn)一號(hào)才能一飛沖天，將“繞、落、巡”任務(wù)三合一。大推力的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭，是天問(wèn)一號(hào)任務(wù)成功的前提。

軟著陸三步走

地球的探測(cè)器要想在火星降落，技術(shù)難度非常大。在這之前，先后有蘇聯(lián)（俄羅斯）、美國(guó)、日本、印度等國(guó)家向火星發(fā)射探測(cè)器，成功率不到50%。真正能夠做到在火星成功著陸的，只有美國(guó)一家。

在著陸方式上，天問(wèn)一號(hào)采取了軟著陸，總體分為三步：大氣制動(dòng)、降落傘減速、反推火箭減速。

第一步?利用自身的氣動(dòng)外形進(jìn)入火星大氣層摩擦減速，使速度降低80%左右;

第二步?在速度降到小于每秒100米時(shí)，打開(kāi)減速降落傘增大阻力，進(jìn)一步降低速度;

第三步?天問(wèn)一號(hào)打開(kāi)姿態(tài)控制和變推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，最后穩(wěn)穩(wěn)降落在火星表面。

這三個(gè)步驟看起來(lái)輕松簡(jiǎn)單，但實(shí)際上難度極高。天問(wèn)一號(hào)整個(gè)著陸過(guò)程大概在9分鐘左右，在此期間，天問(wèn)一號(hào)的速度將從每秒4.9公里降低到0，這對(duì)著陸器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和隔熱性能是一個(gè)巨大的考驗(yàn);并且，火星到地球的距離有5500萬(wàn)公里，這么遠(yuǎn)的距離，通信時(shí)長(zhǎng)多達(dá)18分鐘，這意味著從地球給天問(wèn)一號(hào)下達(dá)一個(gè)指令，它要在18分鐘后才能收到，所以天問(wèn)一號(hào)在著陸時(shí)要能夠進(jìn)行自我判斷、自我控制。

為了配合天問(wèn)一號(hào)執(zhí)行任務(wù)，我國(guó)在天津武清建造了70米口徑的大型天線，于今年2月完工，趕在天問(wèn)一號(hào)到達(dá)火星之時(shí)投入使用。放眼全球，擁有70米口徑天線的國(guó)家只有三個(gè)——美、俄、中。

小翅膀有大學(xué)問(wèn)

天問(wèn)一號(hào)在進(jìn)入火星大氣層時(shí)，采用了我國(guó)在高超音速滑翔領(lǐng)域取得的研究成果——配平翼技術(shù)，即在天問(wèn)一號(hào)側(cè)面裝上小翅膀，讓它在火星大氣層中以較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行滑翔，從而獲得更多的氣動(dòng)減速，同時(shí)還能更精準(zhǔn)地控制落點(diǎn)。在這之前，我國(guó)探月工程的嫦娥五號(hào)返回艙也采用了這項(xiàng)絕技。

配平翼使得天問(wèn)一號(hào)能夠在火星大氣層中多滑翔大約30秒，降低了祝融號(hào)火星車(chē)承受的過(guò)載壓力，可謂好處多多。在未來(lái)的火星取樣返回及載人登火任務(wù)中，配平翼技術(shù)還會(huì)大顯身手。

值得一提的是，這種配平翼技術(shù)屬于我國(guó)首創(chuàng)，迄今沒(méi)有其他國(guó)家能夠有效運(yùn)用。

全身都是高科技

天問(wèn)一號(hào)在著陸過(guò)程中，用到了不少高科技。

當(dāng)天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入火星大氣層后，降落傘就會(huì)打開(kāi)。這降落傘可不是一般的降落傘，它有個(gè)專有名詞，叫作“超音速降落傘”。這是人類第二次使用超音速降落傘登陸火星，第一次是美國(guó)在今年2月降落火星的毅力號(hào)任務(wù)中使用。如果按照到達(dá)火星軌道的時(shí)間來(lái)算，天問(wèn)一號(hào)的超音速降落傘是世界上第一個(gè)到達(dá)火星軌道的“超音速降落傘”，因?yàn)樘靻?wèn)一號(hào)入軌火星時(shí)間比毅力號(hào)早了8天。

之所以在登陸火星時(shí)使用超音速降落傘，是因?yàn)榛鹦谴髿膺^(guò)于稀薄，不到地球大氣層密度的1%，因此純靠火星大氣制動(dòng)效果不理想。如果能在超音速階段就打開(kāi)降落傘，有利于延長(zhǎng)減速時(shí)間，為后續(xù)反推火箭的啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。

然而，超音速開(kāi)傘必定對(duì)降落傘的承受能力提出了很高的要求。美國(guó)在毅力號(hào)之前所有的“登火”任務(wù)，使用的都是亞音速降落傘，在毅力號(hào)上才第一次使用了超音速降落傘。這就是說(shuō)，在超音速降落傘技術(shù)環(huán)節(jié)，中美打了個(gè)平手。

在最后的下降階段，天問(wèn)一號(hào)著陸器使用了12臺(tái)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，協(xié)調(diào)配合十分完美。相比之下，美國(guó)毅力號(hào)降落時(shí)采用天車(chē)設(shè)計(jì)，天車(chē)上只有8臺(tái)兩兩一組的小型變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，采用有一定交叉角傾斜布置的方式，復(fù)雜程度比天問(wèn)一號(hào)低了不少。

天問(wèn)一號(hào)著陸器在最后階段的智能識(shí)別技術(shù)也是亮點(diǎn)，它使用了微型相控陣?yán)走_(dá)和激光三維雷達(dá)實(shí)現(xiàn)凝視識(shí)別，技術(shù)水平在世界上是最高的。

小巧精干的火星車(chē)

在天問(wèn)一號(hào)成功著陸火星后，剩下的任務(wù)就交給祝融號(hào)火星車(chē)了。祝融號(hào)火星車(chē)好似蝴蝶一樣，它有1.85米高、240公斤重，別看體型并不是特別大，但卻是一個(gè)本領(lǐng)強(qiáng)大的多面手，將在未來(lái)承擔(dān)巡視和考察火星地表的任務(wù)。

祝融號(hào)對(duì)標(biāo)的是美國(guó)勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)這對(duì)雙胞胎火星車(chē)，它們都使用太陽(yáng)能電池板供電，大小也相近，分別是240公斤（祝融號(hào)）對(duì)185公斤（勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)）。

未來(lái)祝融號(hào)的一大看點(diǎn)，是和美國(guó)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)比誰(shuí)的“命”長(zhǎng)，不過(guò)，可能要再過(guò)好多年才能比出結(jié)果。勇氣號(hào)在火星上工作了8年，最后陷到一個(gè)坑里出不來(lái)，只能結(jié)束自己的使命;而機(jī)遇號(hào)則工作了長(zhǎng)達(dá)15年，最后由于沙塵暴吹起的塵埃遮蓋了太陽(yáng)能電池板，電力告罄而無(wú)法蘇醒。祝融號(hào)在這兩方面都做了優(yōu)化，以避免類似事件發(fā)生。

祝融號(hào)火星車(chē)還有一個(gè)獨(dú)特本領(lǐng)，它的每個(gè)輪子都能獨(dú)立轉(zhuǎn)向，如果一個(gè)輪子被卡住了，可以通過(guò)橫向運(yùn)動(dòng)擺脫。祝融號(hào)甚至可以利用自己的懸掛系統(tǒng)，把整個(gè)車(chē)身抬起來(lái)——先將前面的輪子卡住不動(dòng)，然后通過(guò)懸掛系統(tǒng)改變前后輪的間距，讓輪子以“蠕動(dòng)”的方式前進(jìn)，就算輪子打滑都不怕。

為解決灰塵覆蓋太陽(yáng)能電池板的問(wèn)題，祝融號(hào)的太陽(yáng)能電池板有一項(xiàng)很特別的設(shè)計(jì)：電池板表面膜結(jié)構(gòu)使得灰塵很難附著在電池板上。更特別的是，祝融號(hào)的太陽(yáng)能電池板不僅能展開(kāi)，還能合起來(lái)。通過(guò)讓太陽(yáng)能電池板立起來(lái)，可以抖掉上面的灰塵，避免機(jī)遇號(hào)悲劇事件的發(fā)生。相比之下，美國(guó)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)太陽(yáng)能電池板展開(kāi)之后就卡死了，是不能再翻轉(zhuǎn)回去的。

作為我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器，天問(wèn)一號(hào)在很多方面做到了世界領(lǐng)先。這代表了我國(guó)的火星探測(cè)能力和科技實(shí)力的巨大進(jìn)步，也代表了中國(guó)人對(duì)火星的向往與追求。讓我們一起祝福天問(wèn)，祝福祝融，愿日后的火星探測(cè)任務(wù)一切順利！