于遠(yuǎn)航

大家從2020年就高度關(guān)注的“三國同探火”，在2021年我國農(nóng)歷新年前后又有了新消息——3個(gè)探測器相繼抵達(dá)火星。讓我們來一起看看，這3位“主角”都干了哪些“驚天動(dòng)地”的大事。

火星作為目前太陽系內(nèi)最受人類關(guān)注的行星之一，大約每隔26個(gè)月就會(huì)發(fā)生一次“火星沖日”，火星和地球?qū)⑶『门c太陽來到一條直線上，這時(shí)火星與地球的距離會(huì)達(dá)到極近值，這段時(shí)間可以使用較小的代價(jià)將探測器送往火星。因此，人類的火星探測活動(dòng)通常也會(huì)每隔26個(gè)月出現(xiàn)一次高潮。

2020年10月就有一次“火星沖日”的機(jī)會(huì)。而為了趕上這一機(jī)會(huì)，確定的發(fā)射窗口期是7月份?；厥?020年，可以說是盛況空前，阿聯(lián)酋、中國、美國先后發(fā)射了自己的火星探測器。

2020年7月20日，阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測器——“ 希望號(hào)”由日本的H-2A火箭從日本種子島宇宙中心發(fā)射升空，宣告2020年“火星季”正式開啟。緊接著在2020年7月23日，中國的“天問一號(hào)”火星探測器乘坐“長征五號(hào)”運(yùn)載火箭從中國文昌航天發(fā)射場升空。2020年7月30日，人類組團(tuán)奔向火星的最后一位成員，美國的“毅力號(hào)”火星車在經(jīng)過了地面上的些許波折之后，也終于搭上末班車，由“宇宙神5號(hào)”火箭從美國卡納維拉爾角航天發(fā)射場發(fā)射升空，踏上了漫漫征程。

2021年，設(shè)計(jì)為環(huán)繞火星的阿聯(lián)酋“希望號(hào)”，已經(jīng)于2月9日進(jìn)入火星軌道，進(jìn)行火星天氣探測、火星地圖繪制工作。設(shè)計(jì)為進(jìn)行火星軌道探測和著陸巡視探測的我國“天問一號(hào)”探測器，也已經(jīng)于2月10日進(jìn)入環(huán)繞火星的運(yùn)行軌道，開展繪制火星地圖、探測火星土壤組成等工作。而美國的“毅力號(hào)”火星車由于已經(jīng)有了前輩的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及先期部署于火星軌道上的探測器的支持，會(huì)直接登陸火星，進(jìn)行樣本采集和暫時(shí)儲(chǔ)存，按計(jì)劃于北京時(shí)間2月19日降落在火星表面。

大家看到的“希望號(hào)”和“天問一號(hào)”進(jìn)入火星軌道的精彩瞬間，卻是科研人員最“提心吊膽”的幾個(gè)瞬間，這是為什么呢？

從地球奔向火星，通常是在算好的窗口期，利用運(yùn)載火箭加速到一定的速度，然后探測器與火箭分離，采用慣性滑行的方式，向著與火星的相遇點(diǎn)飛去。在慣性滑行的末端，盡管探測器感受到了強(qiáng)烈的火星吸引力，但由于速度依然較快，如果不做什么動(dòng)作，探測器只會(huì)改變一下飛行方向，掠過火星進(jìn)入宇宙深處。

因此，火星探測器進(jìn)入火星引力影響范圍后，需要進(jìn)行關(guān)鍵、危險(xiǎn)的“剎車”動(dòng)作，就是將發(fā)動(dòng)機(jī)噴口朝向自己飛行方向反噴減速，讓自己被火星的引力“捕獲”，成為環(huán)繞火星飛行的衛(wèi)星。

這一動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)性極大，噴射角度、噴射啟動(dòng)時(shí)間、噴射持續(xù)時(shí)間調(diào)整不好都會(huì)造成嚴(yán)重的后果。速度如果減得不夠多，探測器會(huì)掠過火星飄然而去;速度如果減得太多，探測器就會(huì)一頭栽向火星表面，往往會(huì)超過探測器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致在火星大氣中解體，或者一頭撞上火星表面。

這樣的制動(dòng)減速被火星捕獲的機(jī)會(huì)只有一次，并且是要求高度自主控制的。因?yàn)榛鹦侵苿?dòng)的位置在火星背向地球的一側(cè)，無法進(jìn)行監(jiān)測。而且火星軌道距離地球太遠(yuǎn)，捕獲時(shí)與地球的單向通信延時(shí)超過10分鐘，探測器的地面控制人員不可能對(duì)制動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，只能由其自己根據(jù)預(yù)先植入的自主工作設(shè)置，自動(dòng)實(shí)施變軌和捕獲操作。

在這最驚險(xiǎn)的一刻過去之后，探測器要繼續(xù)調(diào)整自己環(huán)繞火星飛行的軌道，以便對(duì)火星表面觀測、與地球通信。不管是通過發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火機(jī)動(dòng)，還是利用探測器多次穿越火星大氣層、通過與火星大氣的氣動(dòng)阻力來減速，由于探測器攜帶的燃料有限，因此必須精確判斷和控制發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)時(shí)間，并保證點(diǎn)火的可靠性，才能順利完成軌道調(diào)整工作。

“天問一號(hào)”于2月10號(hào)進(jìn)入環(huán)繞火星的運(yùn)行軌道。此時(shí)，它距離地球約1.9億千米，飛行里程達(dá)到4.7億千米。當(dāng)“天問一號(hào)”臨近火星時(shí)，需要讓自己來一個(gè)“急剎車”，將相對(duì)于火星的運(yùn)動(dòng)速度減下來，從而讓自己被火星引力捕獲，成為火星的一顆衛(wèi)星，進(jìn)而成功實(shí)現(xiàn)火星探測任務(wù)的第一步，即環(huán)繞火星。

2021年5月份左右，“天問一號(hào)”將實(shí)施火星著陸。我國此次發(fā)射的火星著陸器將經(jīng)過氣動(dòng)外形減速、降落傘減速、反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，最后展開著陸腿，緩沖著陸到火星表面。

對(duì)于“毅力號(hào)”來說，有一個(gè)更加困難的挑戰(zhàn)需要面對(duì)，那就是登陸火星的“恐怖7分鐘”。也就是說，在這7分鐘內(nèi)，“毅力號(hào)”必須完全依賴自主系統(tǒng)，準(zhǔn)確完成登陸火星的一系列紛繁復(fù)雜的程序，才能避免在火星表面砸出一個(gè)大坑。

當(dāng)天，地球和火星之間的距離為2.09億千米，整個(gè)降落過程始于火星上方100多千米處。此時(shí)，處于保護(hù)艙中的火星車正在以20000千米的時(shí)速下落。在只有400多秒的時(shí)間里，下降系統(tǒng)必須將火星車著陸時(shí)的速度降至1米/秒以下。

當(dāng)然，大部分減速的工作是由能夠很好隔熱的啟動(dòng)保護(hù)罩完成的。隨著不斷深入火星大氣，隔熱罩會(huì)由于大氣摩擦變得越來越熱，溫度超過1000攝氏度。

當(dāng)速度降低至1200千米/小時(shí)，21.5米寬的超音速降落傘將從保護(hù)罩后部拉出展開，工作1分鐘多一點(diǎn)的時(shí)間，“毅力號(hào)”利用降落傘進(jìn)一步減緩下降速度。

距離火星表面2千米時(shí)，火星車的下降速度會(huì)降低到100米/秒。這時(shí)“毅力號(hào)”和幫助其下降的“天空起重機(jī)”從保護(hù)罩中分離開來。隨后，“天空起重機(jī)”上搭載的8枚火箭同時(shí)點(diǎn)火，將“毅力號(hào)”火星車懸停至著陸點(diǎn)上方，火星車?yán)媚猃埨K降至火星表面。“毅力號(hào)”一旦感應(yīng)自己接觸到地面時(shí)，會(huì)立即切斷纜繩，避免被“天空起重機(jī)”拖離安全著陸點(diǎn)。

值得一提的是，在火星車著陸時(shí)，無線電信號(hào)從火星抵達(dá)地球的時(shí)間大約是700秒。這就意味著，當(dāng)人類收到“毅力號(hào)”發(fā)來的關(guān)于進(jìn)入火星大氣層的信息時(shí)，它可能已經(jīng)成功降落在火星表面了。

在這有史以來人類拜訪火星最為密集的時(shí)刻，我們不僅欣賞到了壯美的航天科技場景，更是從中感受到了人類攜手探索宇宙的磅礴力量。此次三個(gè)國家的火星探測器齊聚火星，徹底擺脫了以往在火星探測領(lǐng)域美國一家獨(dú)大的局面，這說明近些年來航天技術(shù)實(shí)實(shí)在在的進(jìn)步和廣泛傳播?！耙换í?dú)放不是春，百花齊放春滿園”，相信隨著更多的國家掌握高端航天技術(shù)，人類的航天事業(yè)將迎來越來越繁盛的明天。

（本文摘編自《中國航天報(bào)》飛天科普周刊）