文/ 趙聰

5月15日7時(shí)18分，中國(guó)天問一號(hào)探測(cè)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(guó)首次火星探測(cè)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(dòng)魄9分鐘”?！疤靻栆惶?hào)”成功著陸，意味著我國(guó)成為世界上第二個(gè)航天器成功著陸火星的國(guó)家。

制圖：于珊珊

▲ 天問一號(hào)著陸巡視器與環(huán)繞器分離模擬圖

環(huán)火3個(gè)月

5月15日凌晨4時(shí)許，火星上空，天問一號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)中的“兩兄弟”在做最后的告別——相伴295天后，環(huán)繞器和承載著祝融號(hào)火星車的著陸巡視器正式分離。

隨后，環(huán)繞器抬升了自己的軌道，迎來新的使命——為火星和地球之間架起通信橋梁。

此時(shí)，著陸巡視器獨(dú)自上路，它調(diào)整姿態(tài)，防熱大底朝前，沿著進(jìn)入火星大氣層的軌道滑行，瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的狹窄“走廊”。3小時(shí)后，它進(jìn)入火星大氣，迎來整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)的驚心動(dòng)魄時(shí)刻。生死考驗(yàn)后，它將代表中國(guó)完成首次著陸火星的壯舉。

“天問一號(hào)”距離家鄉(xiāng)3.2億公里，是走得最遠(yuǎn)的中國(guó)遠(yuǎn)行客。去年7月23日，它從海南文昌啟程，至此已跋涉295天。這些天里，它曾舉起自拍桿，拍下深空掠影，向祖國(guó)報(bào)告平安；也曾回望故土家園，拍下地月合影，遙寄思鄉(xiāng)之情。最重要的，它先后多次修正前行軌道，更精準(zhǔn)地朝火星奔去。

今年2月24日，它踩下了“史上最難”的太空剎車——通過3次近火制動(dòng)，成功進(jìn)入火星軌道，順利飛抵火星。在火星上空踩下的這幾腳剎車，分寸有多難拿捏？科學(xué)家說，就像從巴黎打出一個(gè)高爾夫球，讓它落進(jìn)東京的某個(gè)球洞里。

到達(dá)火星上空后，“天問一號(hào)”沒有立即降落，而是環(huán)火飛行數(shù)月。中國(guó)首次探測(cè)火星，最重要的是妥妥成功，因此，“天問一號(hào)”選擇了最穩(wěn)妥的模式——“先繞后落”。

天問一號(hào)環(huán)繞器總體副主任設(shè)計(jì)師杜洋介紹，我國(guó)在天問一號(hào)探測(cè)任務(wù)之前，尚不掌握第一手火星環(huán)境資料，對(duì)火星的地形地貌、天氣環(huán)境等各方面情況尚不熟悉。在本次任務(wù)中，根據(jù)全球已公開的數(shù)據(jù)，在任務(wù)規(guī)劃中首先預(yù)選出一個(gè)首選著陸區(qū)以及一個(gè)備選著陸區(qū)，并通過環(huán)繞火星的方式對(duì)預(yù)選著陸地點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。

在將近3個(gè)月的時(shí)間里，“天問一號(hào)”在火星停泊軌道上“兜圈”式飛掠，不停地鳥瞰著陸點(diǎn)——烏托邦平原。借助攜帶的相機(jī)和光譜儀，它看清了火星的地形地貌，監(jiān)測(cè)到了火星沙塵暴的當(dāng)季動(dòng)向，也看到了著陸地區(qū)的坡度、凹坑等。

科研人員根據(jù)觀察到的最新情況，不停地完善火星著陸方案，避開惡劣的火星天氣，選擇一個(gè)“風(fēng)和日麗”的日子實(shí)施火星著陸計(jì)劃。

▲ 進(jìn)入火星大氣層前調(diào)整姿態(tài)

▲ 進(jìn)入火星大氣層利用大氣減速

自主闖險(xiǎn)關(guān)

北京航天飛行控制中心，隨著“天問一號(hào)”兩兄弟分離，科研人員也進(jìn)入了最后的忙碌時(shí)間。很快，著陸巡視器將迎來火星著陸的挑戰(zhàn)。其間，信號(hào)會(huì)被等離子鞘層切斷，“天問一號(hào)”將短暫失聯(lián)，所有的難關(guān)只能靠著陸巡視器自主去闖。

此刻的航天科技工作者就像一位丈夫，妻子即將進(jìn)入產(chǎn)房，他等候在門外，能做的已經(jīng)很少，但抑制不住興奮和緊張。

火星著陸素有“黑色7分鐘”的說法，最早起源于美國(guó)火星探測(cè)任務(wù)，揭示著陸過程的險(xiǎn)象環(huán)生，具體耗時(shí)卻不盡相同。國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言介紹，中國(guó)天問一號(hào)任務(wù)中，探測(cè)器從進(jìn)入大氣到著陸火星，全程預(yù)計(jì)9分鐘。

火星稀薄的大氣屏障曾讓數(shù)個(gè)人類探測(cè)器殞命。一頭扎進(jìn)不可知的大氣環(huán)境，是世界一半以上火星探測(cè)器著陸失敗的主要原因。天問一號(hào)在贏得榮譽(yù)之前，先要經(jīng)受世所罕見的殘酷考驗(yàn)。

▲ 傘系減速段

▲ 動(dòng)力減速段

事實(shí)上，我國(guó)雖未著陸火星，卻有類似的技術(shù)基礎(chǔ)。我國(guó)神舟系列飛船曾多次成功從太空返回地球，嫦娥系列探測(cè)器也曾數(shù)次實(shí)現(xiàn)月球軟著陸，這些都意味著我國(guó)已熟練掌握降落傘減速、動(dòng)力反推減速等技術(shù)。

但這些技術(shù)能不能照搬到火星著陸上來？答案是否定的。

主要是因?yàn)榛鹦谴髿猸h(huán)境的特殊性。火星有一層稀薄的大氣，這使得火星著陸與登陸月球相比，不能僅僅采用動(dòng)力反推的方式，還需增加氣動(dòng)減速和傘系減速等環(huán)節(jié)，因而著陸控制更為復(fù)雜。而地球雖然也有大氣層，卻與火星不同。根據(jù)目前掌握的資料，火星表面常有風(fēng)沙和塵暴，會(huì)對(duì)著陸火星產(chǎn)生致命干擾，但對(duì)其具體運(yùn)行規(guī)律卻知之甚少。

另一個(gè)難點(diǎn)在于，當(dāng)火星探測(cè)進(jìn)行到著陸這最為兇險(xiǎn)的一步時(shí)，探測(cè)器與地球卻是完全失聯(lián)的?；鹦翘綔y(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖介紹，首先，探測(cè)器高速再入時(shí)，和稀薄大氣積壓產(chǎn)生沖擊波，形成等離子鞘層，導(dǎo)致通信中斷；其次，因?yàn)榛鸬鼐嚯x3.2億公里，無線電信號(hào)一來一回要35分鐘，著陸過程卻只有短短幾分鐘，人根本來不及干預(yù)。

兩萬公里到零的降速

7時(shí)許，天問一號(hào)著陸巡視器飛向火星大氣層，“驚心動(dòng)魄9分鐘”拉開序幕。在此前人類嘗試著陸火星的任務(wù)中，僅美國(guó)取得9次成功，蘇聯(lián)火星三號(hào)著陸20秒后失聯(lián)，其他嘗試均告失敗?，F(xiàn)在，中國(guó)隊(duì)來到賽道。

著陸巡視器快速?zèng)_向火星，時(shí)速高達(dá)2萬公里，約為“和諧號(hào)”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2萬公里降到零？火星著陸的終極手段是降速。

天問一號(hào)任務(wù)火星著陸共分為4個(gè)階段：氣動(dòng)減速段、傘系減速段、動(dòng)力減速段、懸停避障與緩速下降段?！盎鹦侵戇^程復(fù)雜、動(dòng)作繁多，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心，一招出錯(cuò)、全盤皆輸?！惫⒀哉f。

第一階段為氣動(dòng)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(gè)盾形結(jié)構(gòu)，飛入大氣層時(shí)，大底斜向下對(duì)抗沖擊和燒蝕。航天科技集團(tuán)的研制團(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(dòng)外形和熱防護(hù)的研究、設(shè)計(jì)。

耿言介紹，氣動(dòng)減速階段有一個(gè)環(huán)節(jié)是展開配平翼，目的是減少探測(cè)器的晃動(dòng)，給后續(xù)打開降落傘創(chuàng)造更好的條件。

氣動(dòng)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公里，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%?！惫⒀哉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?dòng)傘包沖開筒蓋，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(guó)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。

航天科技集團(tuán)所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院508所總工程師黃偉介紹，著陸火星，我國(guó)要首次在超聲速、低密度、低動(dòng)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(duì)降落傘的穩(wěn)定充氣，要么是不能滿足低密度低動(dòng)壓條件下的穩(wěn)定性需求。

針對(duì)火星探測(cè)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(hào)火星車的著陸平臺(tái)率先與火星打了照面。

▲“祝融”穩(wěn)落火星表面

“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公里，此時(shí)，降落傘攜帶進(jìn)入艙的背罩與著陸巡視器分離?！白Ｈ凇甭冻鲱^來，呼吸到了火星上的新鮮大氣。

但降落還沒有停止，驚心動(dòng)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(gè)階段——?jiǎng)恿p速段。

天問一號(hào)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(tái)7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)和26臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，7500牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在著陸平臺(tái)的正下方，為該階段減速提供主要?jiǎng)恿Γ?臺(tái)250牛發(fā)動(dòng)機(jī)方向與主發(fā)動(dòng)機(jī)一致，配合主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施減速；8臺(tái)水平安裝的250牛發(fā)動(dòng)機(jī)可用于橫向平移；其余姿控發(fā)動(dòng)機(jī)均用于精確姿態(tài)控制。

在多臺(tái)發(fā)動(dòng)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(gè)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。

航天科普專家龐之浩介紹，氣囊彈跳式適合小重量探測(cè)器著陸要求，反推著陸腿式可滿足重量較大的探測(cè)器在火星軟著陸要求，空中吊車式可滿足重量更大的探測(cè)器軟著陸要求。

我國(guó)天問一號(hào)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(guó)探月工程嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)著陸月面的方式類似。

王闖介紹，懸停在空中后，著陸巡視器搭載的微波測(cè)距測(cè)速敏感器、光學(xué)相機(jī)等6臺(tái)儀器都同時(shí)開啟，對(duì)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(huì)付諸東流?！?00米的高度已經(jīng)能對(duì)著陸地形進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，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沖擊力，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(dòng)魄9分鐘”，中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器平安抵達(dá)火星表面。