『天問一號』著陸火星的那些難題

張軍

2021年5月15日7時18分，“天問一號”著陸器帶著“祝融號”火星車成功著陸于火星表面，邁出了“環(huán)繞、著陸、巡視”任務(wù)中最關(guān)鍵的一步，標(biāo)志著我國成為世界上第二個獨立掌握火星著陸和巡視探測技術(shù)的國家。

著陸火星，挑戰(zhàn)重重。自1960年10月10日蘇聯(lián)發(fā)射第一顆火星探測器以來，火星便成為太空中最熱門的探測目標(biāo)，特別是20世紀(jì)90年代以來，每次的發(fā)射窗口期均有探測器發(fā)射，從未間斷。但在“天問一號”成功落火之前，在火星表面成功軟著陸的只有寥寥數(shù)次。

今天，我們從初中物理的知識層面，對“天問一號”著陸器著陸火星的減速過程進(jìn)行簡單分析。

著陸問題的本質(zhì)

讓雞蛋從高處落下，掉到地板上，雞蛋就摔碎了（圖2）。這就好比硬著陸，結(jié)果是粉身碎骨。這里面包含著能量轉(zhuǎn)化的奧秘。

物體因運動而具有動能，動能大小與物體的質(zhì)量成正比，和速度的平方成正比。物體因被舉高而具有重力勢能，重力勢能的大小與質(zhì)量成正比，與相對高度成正比。還有一種勢能是彈性勢能，是物體發(fā)生彈性形變之后產(chǎn)生的，儲存于形變物體中。動能和勢能（含重力勢能和彈性勢能）統(tǒng)稱為機械能。動能和勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)物體下落到地面時，最終相對于地面的高度變?yōu)榱?，速度也為零，機械能也就為零了。

那么，物體原有的機械能哪里去了呢？

能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能由一種形式變?yōu)榱硪环N形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。掉落在地面上的物體，當(dāng)它的機械能為零時，能量并沒有“消失”，而是變成了其他形式的能。比如，乒乓球掉落桌面后不斷彈起，每次彈起的最大高度都在不斷變?。▓D3）。這是因為克服空氣阻力做功、撞擊桌面做功都會損耗機械能，將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。乒乓球掉到桌面前的一瞬間速度最大，動能也最大，然后不斷撞擊桌面，直至速度變?yōu)榱?。這個過程中，乒乓球和桌面都會發(fā)生彈性形變，將剛才乒乓球的動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能。接著，乒乓球和桌面都會恢復(fù)原狀，將彈性勢能又轉(zhuǎn)化為乒乓球的動能。但是，這時的動能已經(jīng)沒有撞擊之前那么大了，因為其中一部分能量轉(zhuǎn)化為了乒乓球和桌面的內(nèi)能。事實上，在乒乓球下落和彈起的過程中，機械能每時每刻都在減小，因為空氣阻力一直存在，撞擊也會損耗機械能。如果用精密的儀器測量，我們會發(fā)現(xiàn)，空氣、乒乓球、桌面的溫度都在升高。

功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程;做了多少功，就有多少能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

任何撞擊都會產(chǎn)生沖擊力。乒乓球掉落桌面時，產(chǎn)生沖擊力的過程非常復(fù)雜。乒乓球?qū)ψ烂媸┝?，同時桌面也對乒乓球施力，這兩個力是一對相互作用力，符合牛頓第三定律的描述：大小相等，方向相反，作用在一條直線上。乒乓球會對桌面做功，桌面也對乒乓球做功——這個做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程。如果其中一方的承受力差，就有可能損壞——掉在地面的雞蛋就是這么摔碎的。如果掉在另一個雞蛋上，則可能兩個雞蛋都碎了。

如果在地面墊上泡沫，掉落的雞蛋就安全多了，就像我們跳高時落到海綿墊上（圖4），不會摔傷。這是為什么呢？

雞蛋接觸地面之前，有一定的速度;碰撞結(jié)束，速度變成零。如果碰撞過程的時間延長了，發(fā)生形變的時間也就延長了，或者說速度減小到零的這段時間延長了，就可以減小沖擊力。這個過程就是我們所說的緩沖。打印機的硒鼓外面包著氣囊（圖5），是為了防止運輸和儲存過程中碰撞的沖擊力帶來破壞;家用電器的包裝箱里填充泡沫、紙條、海綿等材料，也是為了防止運輸過程中的碰撞。雞蛋、玻璃杯、水果等的包裝都采用了緩沖設(shè)計（圖6、圖7），緩沖材料增加了速度減小到零的時間，減少了沖擊力。

自行車車座下面有彈簧，輪胎充氣而富有彈性，也有增大緩沖、減小沖擊力的考慮。想象一下，如果自行車的車座就像個板凳而沒有彈簧緩沖，車輪就是一個圓形的鋼結(jié)構(gòu)而沒有輪胎，那么路面顛簸時，你會感覺多不舒服！緩沖和減震已經(jīng)成了一門專門的學(xué)問，緩沖設(shè)計在我們的日常生活中到處可見。

“天問一號”著陸器（也叫著陸平臺，幫助火星車登上火星的運載工具）和火星車總質(zhì)量為1300千克，進(jìn)入大氣層的速度約為5000米/秒，機械能大得驚人。如何將它的機械能（或者速度）在落地前減到最??？如何延長它與地面撞擊的時間？如何在撞擊時將機械能吸收掉，以減小沖擊力？

著陸問題的本質(zhì)，就是讓著陸器順利下落到火星表面，并且在高度為零時，速度也為零，這就是軟著陸。為達(dá)到這個目的，著陸器先后經(jīng)歷了氣動減速、傘降減速、動力減速、著陸緩沖4個階段的減速。

鈍形底部設(shè)計有奧妙

火星表面是有空氣的，但是密度很小。火星表面的大氣密度約為0.015千克/米3，而地球表面的大氣密度約為1.293千克/米3;離火星表面10千米高度處的大氣密度約為0.0065千克/米3，而離地球表面10千米高度處的大氣密度約為0.413千克/米3。它們基本上差兩個數(shù)量級。

因為火星表面有空氣存在，就可以考慮利用大氣阻力來減速——將部分機械能轉(zhuǎn)化為空氣和著陸器的內(nèi)能。當(dāng)著陸器與環(huán)繞器分離，切入火星大氣層，就進(jìn)入了氣動減速階段。

稀薄的火星大氣對著陸器的阻力比較小。如何增加阻力呢？可以把著陸器的防熱大底進(jìn)行鈍形設(shè)計。大家都知道，高鐵列車頭部一般都設(shè)計成流線型的子彈頭形狀（圖8），這樣可以大大減小空氣阻力，還能降低噪聲。那么，需要空氣阻力大一些時，就可以反過來設(shè)計，讓物體壓縮空氣的表面鈍一些、平坦一些，而且面積大一些。如果我們把傘收攏，傘尖向前，握住傘跑起來，我們幾乎感覺不到空氣阻力的增加;但是如果把傘撐開，仍然傘尖向前，這時跑起來就會明顯感受到巨大的阻力（圖9）。同樣，紙片底部設(shè)計成錐形，要比設(shè)計成鈍形下落得快（圖10）。

鈍形的防熱大底設(shè)計，還可以起到降溫和穩(wěn)定著陸器的作用（圖11）。

有兩個原因會導(dǎo)致著陸器表面溫度升高。一是摩擦生熱?；鹦谴髿馀c著陸器邊緣之間發(fā)生摩擦，將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，讓著陸器和空氣的溫度都升高。這個我們很好理解，感覺手冷時，把雙手搓一搓，手就會變暖。鉆木取火也是利用摩擦生熱——克服摩擦做功，把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。二是氣動加熱。著陸器前端會壓縮空氣，把機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，導(dǎo)致氣體溫度升高，高溫的氣體又反過來加熱著陸器。汽油機和柴油機的壓縮沖程就是通過壓縮氣體做功，讓氣體內(nèi)能增加的。柴油機壓縮沖程末，氣體溫度可能超過1000℃;飛行器壓縮大氣層中的氣體，溫度會高得多。

壓縮氣體做功，氣體內(nèi)能增加，溫度升高;反過來，氣體膨脹對外做功，內(nèi)能則會減小，溫度降低。我們用打氣筒給自行車打氣時，氣筒壁的溫度會升高，主要也是由于壓縮空氣做功，讓空氣內(nèi)能增加造成的。打氣筒活塞摩擦筒壁產(chǎn)生的熱量其實是較小的。如果我們將車胎放氣，車胎內(nèi)氣體對外做功，內(nèi)能會減小，溫度會降低。車胎放氣后，用手摸一下氣嘴，會感覺涼涼的。同樣，往氣球里打氣，氣球溫度會升高;將氣球放氣，溫度則會降低（圖12）。

著陸器的大底結(jié)構(gòu)和大底拐角部位的氣動加熱最嚴(yán)重，這些部位使用了超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。一方面，可以利用表面發(fā)生的復(fù)雜物理和化學(xué)反應(yīng)帶走大量的熱;另一方面，材料良好的保溫隔熱性能也可以有效防止探測器被燒壞。再者，鈍形的底部設(shè)計會將前方的熱空氣推開一段距離，這樣可以減少高溫氣體對載荷的加熱?！版隙鹞逄枴狈祷仄饕膊捎昧蒜g形防熱大底設(shè)計，即使返回器大底前端溫度達(dá)到了5000～6000℃，返回器的溫度一般也不會超過3000℃。

飛行器再入地球大氣層時，氣動加熱可使空氣溫度達(dá)到7000～20000℃，空氣中的氧氣、氮氣等在高溫下分解成原子，原子進(jìn)一步被分解為原子核與電子，變成等離子狀態(tài)，產(chǎn)生人眼可見的光芒。這時，飛行器就相當(dāng)于被裝進(jìn)了等離子制作的“刀鞘”，這就是所謂的“等離子鞘”。等離子體對電磁波的吸收和反射作用，會讓飛行器與外界的電磁波信號衰減甚至中斷，這種現(xiàn)象稱為黑障。流星劃過天際，大部分都會被高溫?zé)?，只有少部分落到地面，這就是隕石。20世紀(jì)，美國進(jìn)行“民兵3”導(dǎo)彈試驗時，有兩次彈頭都在再入地球大氣層時被燒掉。

火星表面空氣稀薄，“天問一號”著陸器降落時，氣動加熱不會像在地球大氣層那么明顯，但是峰值溫度也會超過1300℃，依然會使大氣變成等離子體（圖13），出現(xiàn)黑障現(xiàn)象，這段時間能否安全降落完全靠著陸器自身。

著陸器剛進(jìn)入火星大氣層時，高度約125千米，速度可達(dá)4800米/秒，相當(dāng)于子彈出膛速度的6倍。經(jīng)過大約5分鐘的氣動減速后，速度就下降到了460米/秒，機械能消耗了約90%，接下來就進(jìn)入降落傘減速階段。

降落傘減速“看易實難”

火星的吸引導(dǎo)致著陸器下落時會加速，空氣阻力又會對著陸器起到減速效應(yīng)。使用降落傘可以增大空氣的阻力，讓著陸器的下降速度進(jìn)一步減緩。目前，使用降落傘是最經(jīng)濟、最高效的減速方法，國內(nèi)外所有的火星著陸任務(wù)均采用了降落傘進(jìn)行減速（圖14）。

當(dāng)著陸器距離火星表面大約11千米時，著陸器發(fā)出彈傘指令，彈傘筒內(nèi)的火藥被點燃，產(chǎn)生高壓燃?xì)猓苿油矁?nèi)的活塞運動，使降落傘的傘包沖開尾部的傘艙蓋，飛出彈傘筒。降落傘飛出彈傘筒之后，從傘包中倒拉出來，傘繩逐漸被拉直，傘被充氣張滿，發(fā)揮減速作用。這說起來非常容易，實際上難度大得多，因為有多重因素需要反復(fù)考慮。

降落傘采用什么樣的設(shè)計、采用什么樣的開傘控制方法、在多高的地方開傘、在速度多少時開傘、傘的彈射速度多大，都大有講究。

與以往航天器的環(huán)帆傘、帶條傘等不同，“天問一號”的主降落傘采用了鋸齒形盤縫帶傘設(shè)計，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，這樣的設(shè)計有利于承力和確保穩(wěn)定性。降落傘打開后，展開面積達(dá)200平方米，由48根傘繩牽引。為了防止降落傘沖破筒蓋后筒蓋砸到主降落傘，還為筒蓋配了一頂減速小傘，用來保證筒蓋與主降落傘之間有足夠的安全距離。降落傘和筒蓋減速傘的總質(zhì)量控制在了40千克以內(nèi)，包裝體積控制在了60升以內(nèi)。傘面和繩均使用了最新研發(fā)的特紡材料，傘繩的連接也首次使用了插接工藝，這樣更能提升傘繩的強度。

在降落傘成功打開后的約2分鐘時間內(nèi)，著陸器的速度由460米/秒降低到95米/秒。在距離火星表面約1.2千米的高度，降落傘和背罩一同與著陸器分離，降落傘的使命就結(jié)束了，著陸器進(jìn)入動力減速階段。

動力減速接過下一棒

噴氣加速的現(xiàn)象我們都見過，將氣球吹足氣，然后松開手，氣球里的空氣就會向后噴出，導(dǎo)致氣球向前加速（圖15）。

那么，如果飛行的氣球向前噴氣呢？就會讓速度降下來，這就是反向噴氣減速，也稱為動力減速?！疤靻栆惶枴敝懫鞯膭恿p速由反推火箭發(fā)動機完成。反推發(fā)動機在軌道修正、攻角調(diào)整、懸停、自主避障等階段同樣要應(yīng)用到。

降落傘任務(wù)完成后，防熱大底隨之脫落，著陸器底部伸出幾條腿，7500牛頓的變推力發(fā)動機開啟反推（圖16），讓著陸器減速下落。在距離火星表面約100米的時候，著陸器懸停，開啟地形探測設(shè)備進(jìn)行地貌觀察。激光三維成像技術(shù)可以幫助著陸器“看到”地面上哪里有坑、哪里有石頭、哪個地方比較平坦，著陸器能夠自主避開障礙、選擇降落地點?！版隙鹚奶枴甭湓聲r也使用了這項自動避障技術(shù)。這時，為了保持或調(diào)整姿態(tài)，周邊的小發(fā)動機還在不停噴氣，探測器和發(fā)動機的配合必須非?！澳酢保駝t可能前功盡棄。

為減小落火時的沖擊力，汲取了“嫦娥”成功落月的經(jīng)驗，“天問一號”著陸器的著陸腿使用了特種吸能合金。該合金的強韌性、輕質(zhì)性和吸能性都非常強，可有效吸收著陸器著陸的沖擊能。著陸腿底部的面積較大，可以增加受力面積以減小壓強，避免腿部陷入火星土壤，給后續(xù)的火星車駛下著陸器造成麻煩。

著陸器著陸火星的過程可謂驚心動魄。在“天問一號”成功落火之前，人類已實施火星探測活動達(dá)40多次，其中著陸任務(wù)17次，只成功了8次。難怪有人感慨，火星就是探測器的墳場！

而我們的“天問一號”著陸器，不但安然無恙地著陸火星表面，而且實際著陸點與設(shè)計的著陸點只差了3千米！

其實，除了著陸技術(shù)，“天問一號”還有很多其他技術(shù)的突破，比如新材料技術(shù)、溫控技術(shù)、能源技術(shù)等。深空探測需要眾多前沿科學(xué)與高新技術(shù)的融合，能集中體現(xiàn)一個國家的綜合國力和創(chuàng)新能力?！疤靻栆惶枴钡某晒?，在突破深空探測基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)、帶動基礎(chǔ)研究發(fā)展、保障國家安全、提升國際影響力等方面均具有重要意義。我們必將為人類和平利用太空、推動構(gòu)建人類命運共同體貢獻(xiàn)更多的中國智慧和力量。