圖表資料來源：中國航天科技集團五院、中國航天報

看天問一號著陸火星

　　中國航天再次迎來歷史性時刻！

　　5月15日7時18分，距離地球3.2億千米之外，天問一號探測器成功實現火星表面軟著陸，穩穩落在火星烏托邦平原南部預選著陸區，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功！

　　自去年7月23日在文昌航天發射場啟程，天問一號經歷了長達近7個月的“奔火”之旅和3個月的“環火”探測，如今“登火”成功，並且即將開展巡視探測。

　　環繞、著陸、巡視，通過一次發射實現“繞、著、巡”三大任務，這在世界航天史上尚屬首次。火星探測屬於高風險航天任務，我國突破了第二宇宙速度發射、行星際飛行及測控通信、地外行星軟著陸等關鍵技術，邁出了星際探測征程中的重要一步，是我國航天事業發展中又一個具有重大意義的裡程碑。

　　看點①

　　從“奔火”到“探火”，天問一號要闖六道關

　　由於地球與火星之間距離迢迢，天問一號探火的旅程可謂征途漫漫。

　　從工程設計來看，我國首次火星探測任務過程包括發射段、地火轉移段、火星捕獲段、停泊段、離軌著陸段和科學探測等6個階段。

　　2020年7月23日，天問一號在文昌航天發射場飛向遙遠深空。按照預先設計的精准軌道，天問一號在浩渺無垠的太空中飛行了202天，飛行裡程約4.75億千米，其間實施了1次深空機動和4次中途修正，終於在2021年2月10日成功實施火星捕獲，從地火轉移軌道進入到環火軌道。

　　2月10日19時52分，天問一號探測器成功實施火星捕獲，成為我國第一顆人造火星衛星，實現“繞、著、巡”目標的第一步。

　　進入火星軌道后，天問一號探測器經過幾次調整，於2月24日成功實施第三次近火制動，進入火星停泊軌道，開展了為期約3個月的環繞探測。

　　為什麼在軌探測這麼久？專家介紹，天問一號探測器在火星停泊軌道運行，繞火期間一次次從首選著陸點烏托邦平原上空掠過。經過預定著陸區上空時，天問一號會利用中分辨率相機、高分辨率相機、光譜儀等載荷設備對預定著陸區進行詳查，主要探測預定著陸區的地形、地貌以及是否存在沙塵天氣等，為著陸巡視器安全著陸做好准備。

　　“我們之前並沒有去過火星，也不掌握一手資料，因此這些數據的收集非常重要。”中國航天科技集團五院總體設計部火星探測器總體主任設計師王闖表示。

　　看點②

　　登陸是火星探測最關鍵環節，主要面臨三大難點

　　此前不少媒體在報道天問一號著陸的過程中，使用了“黑色7分鐘”的說法。對此，國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言解釋，“7分鐘只是個約數，我國此次著陸過程設計時長為9分鐘。這是因為天問一號在實施火星捕獲時已有減速動作，工程設計上是先環繞、再進入，因此速度相對其他國家低一些，工程設計情況和進入速度不同，所需時間也不太相同。”

　　但是，無論是7分鐘還是9分鐘，“進入、下降、著陸”這一階段都是火星探測最關鍵和核心的環節。此前一些失敗的火星探測任務，大多是在這一過程中“折戟”失利。

　　登陸火星面臨三大難點：

　　首先是火星環境的不確知性，增加了著陸的不確定性。火星表面有一層稀薄的大氣，與月球和地球的環境截然不同。“月球沒有大氣，著陸過程完全靠反推發動機減速，干擾因素少﹔對於地球的大氣環境，我們也有深入認識。但我們對火星環境的了解非常有限，也沒有經過飛行驗証后的數據，火星大氣稀薄且受季節、夜晝、火星風暴等影響非常不穩定﹔火星表面地形復雜，遍布岩石、斜坡、溝壑等障礙物﹔火星塵暴也較地球更為嚴重。這些都會帶來很大風險。”耿言分析。

　　其次，著陸過程較為復雜，短時間內完成多個動作，不容半分差錯。中國航天科技集團五院天問一號探測器總設計師孫澤洲表示：“這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發動機、著陸緩沖等多項技術才能實施軟著陸。每個環節都必須確保精准無誤，差一秒都可能造成整個任務的失敗。”

　　第三，距離遙遠，隻能靠著陸巡視器全程自主控制。“著陸時，火星和地球的距離達到3.2億千米，無線電信號一來一往大約35分鐘，地面不可能直接遙控，所有動作觸發條件的測量、判斷，所有動作的執行，包括最后階段通過拍攝著陸區的圖像並選擇滿足條件的著陸點，均是自主測量、自主判斷、自主控制。”耿言表示。

　　看點③ 

　　驚心動魄的9分鐘，環環相扣、步步驚心

　　面臨如此艱巨的挑戰，天問一號又是如何漂亮利索地完成整個過程的？

　　5月15日凌晨1時許，天問一號探測器在火星停泊軌道實施降軌，機動至火星進入軌道。隨后，環繞器與著陸巡視器開始器器分離，繼而環繞器升軌返回停泊軌道，著陸巡視器運行到距離火星表面125千米高度的進入點，開始進入火星大氣。

　　天問一號的降落過程歷時約9分鐘，大致分為氣動減速段、降落傘減速段和動力減速段。9分鐘內，著陸巡視器要完成10多個動作，每個動作都要一氣呵成，而且隻有一次機會，可以說是環環相扣、步步驚心。

　　王闖告訴記者，天問一號在進入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進行氣動減速。“這個過程中克服了高溫和姿態偏差，氣動減速完成后天問一號的下降速度也減掉了90%左右。”

　　緊接著天問一號打開降落傘，進行傘系減速，主要有降落傘展開、拋大底、拋傘拋背罩幾個步驟。“超音速降落傘是減速技術中難度最大的一個環節，天問一號在使用降落傘時要保証在超音速、低密度、低動壓下打開，這個過程存在開傘困難、開傘不穩定等問題。”王闖介紹，“火星大氣非常稀薄，要求探測器的氣動外形具備高效的減速性能，同時需要更輕量化的防熱材料。”

　　當速度降至100米/秒時，天問一號通過反推發動機進行減速，由大氣減速階段進入動力減速階段。在距離火星地表100米時天問一號進入懸停階段，完成精避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機構的保護下，抵達火星表面。

　　孫澤洲表示，火星探測器繼承了嫦娥三號、四號、五號成熟的懸停、避障技術，以確保安全著陸。科研人員還在國際上首次採用了基於配平翼的彈道—升力式進入方案，以降低火星大氣參數不確定性帶來的風險，提高適應能力。

　　看點④ 

　　著陸區選擇兼顧工程與科學目標，成果產出值得期待

　　天問一號著陸巡視器平穩著陸，著陸地點為什麼要選擇在火星北半球的烏托邦平原？

　　“火星上的地形地貌從分布上來看，北半球多為平原，南半球大多是山地，坑窪不平，因此國際上有著陸計劃的火星探測任務，大多數選擇著陸在北半球。”耿言介紹，基於工程實現“安全著陸與巡視”的要求，科研人員識別了高度、坡度、岩石、風速、塵土、能源等約束要素，在要求的北緯5度—30度區間內，選了兩個區域。“首先是希望海拔高度低一點，這樣著陸過程長一點，探測器更從容一些。其次是希望地勢平緩，石塊分布盡可能少一點，風速也盡可能小一點，要盡量避開沙塵暴。另外，要選擇白天降落，保証著陸后太陽能帆板打開，順利獲取能源保障。”

　　烏托邦平原南部預定區域，位於古海洋和古陸地的交界處，科學家認為該地方有很高科學價值，很有可能會取得意想不到的科學成果。此外，預選著陸區位於埃律西昂火山西面，存在與火山活動和演化有關的科學問題。

　　看點⑤

　　“祝融號”火星車，將在火星展開巡視探測

　　火星探測是一項科學探索性強的工程，到達火星后獲取有效的科學探測數據對於科學研究來說非常重要。

　　天問一號成功著陸后，進入艙將著陸信息通過環繞器轉發地面。進入艙和“祝融號”火星車先后完成坡道及太陽翼天線展開，火星車在第一時間將成功展開的消息傳回地面。一切准備就緒后，火星車將自主駛離著陸平台，抵達火星，開始新的征程。

　　“祝融號”以3天為一個工作周期。受到火星苛刻的環境影響，火星車每次隻能“工作”一兩個小時，工作內容主要包括環境感知、科學探測、數據下傳等。

　　火星車上搭載了6台載荷，分別是多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機。它們共有五大使命，主要涉及火星空間環境、地表形貌特征、土壤表層結構等研究，將帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關的研究項目將收集溫度、氣壓、風速和風向的大氣數據，並研究火星的磁場和重力場。

　　如果隻看圖片，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。但火星上的風速可達180米/秒，幾乎是地球上特大台風風速的3倍還多。強烈的風速會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴，對火星車的生存造成嚴峻考驗。面對這樣的情況，設計師使用了一種新型材料，這種材料不易沾上灰塵，即使沾上，也可以通過振動將其抖落。

　　火星表面還密布著石塊等障礙物，火星車的行駛需要更加“小心翼翼”。王闖透露，在航天五院的實驗室中，有一台一模一樣的火星車。當遇到復雜路況時，地球上的火星車將對火星路況進行模擬行駛，確認無誤后才會發出指令。

　　天問一號是我國“行星探測重大工程”整體規劃中的第一次任務，后續還規劃了小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星穿越探測。

　　未來的深空探測，更加值得期待。

　

　　鏈接

　　火星探測為什麼“火”

　　火星探測，可以說是當前行星探測的重點目標。太陽系八大行星中，人們似乎格外偏愛這顆紅色星球。從20世紀60年代人類首次開展火星探測開始，截至目前，人類已進行47次火星探測活動，包括去年7月我國、阿拉伯聯合酋長國以及美國實施的3次火星探測活動。

　　火星，成為人類探測時間最長、次數最多、參與國家最多的一顆行星。但是，火星探測任務的成功率卻一直不高。目前實施的47次火星探測任務中，25次成功或部分成功。而火星著陸任務風險更高，22次著陸任務（著陸火星19次、著陸火星衛星3次），隻有10次取得成功，成功率為45%，目前隻有美國和中國掌握了火星軟著陸技術。

　　火星探測為什麼這麼“火”？專家介紹，火星是離地球較近且環境最相似的星球，一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。以往的探測發現了火星存在水的証據，火星上是否存在孕育生命條件等成為火星研究重大科學問題。研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。

　　在太陽系類地行星中，火星的自然條件與地球最為類似。從外形上來看，火星半徑大致是地球的一半，體積是地球的1/7，質量是地球的1/10。從地表溫度來看，火星與地球最為接近。就連一年四季的變換和一天的時間，也相差無幾。火星的一天是24小時39分35秒，比地球長了約40分鐘。

　　從工程實踐來看，按照目前的技術手段，火星探測相對於其他的行星探測，也更容易實現。

　　中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋表示，天問一號是我國行星探測的起點，通過這次任務的實施，在火星使命牽引下的新一輪創新，對實現航天技術領域新跨越、推動我國由航天大國走向航天強國意義重大。

　　（本報記者 馮 華採訪整理） 

　　《 人民日報 》（ 2021年05月16日 02 版）

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