本刊綜合

火星這顆自古以來寄托了中國人無限遐思的紅色星球，如今第一次留下了中國人的印跡。5月15日，“天問一號”探測器成功降落在火星預(yù)選著陸區(qū)。這標(biāo)志著中國首次火星探測著陸任務(wù)取得成功，同時也使中國成為繼美國之后第二個實(shí)現(xiàn)探測器著陸火星的國家。

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(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸，穩(wěn)穩(wěn)落在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得成功！

自2020年7月23日在文昌航天發(fā)射場啟程，“天問一號”經(jīng)歷了長達(dá)近7個月的“奔火”之旅和3個月的“環(huán)火”探測，如今“登火”成功，并且即將開展巡視探測。

環(huán)繞、著陸、巡視，通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三大任務(wù)，這在世界航天史上尚屬首次?；鹦翘綔y屬于高風(fēng)險航天任務(wù)，我國突破了第二宇宙速度發(fā)射、行星際飛行及測控通信、地外行星軟著陸等關(guān)鍵技術(shù)，邁出了星際探測征程中的重要一步。

為何三個月才抵達(dá)

——? 一刻不閑，為落火做萬全準(zhǔn)備

早在今年2月10日，“天問一號”探測器就成功“剎車”被火星捕獲，但隨后3個月“遲遲”未落。為何飛了這么久？

“這是從整個任務(wù)的角度考慮的。這是我國第一次探索火星，形象地說，我們在到達(dá)后要先看看路?！薄疤靻栆惶枴被鹦黔h(huán)繞器副總指揮褚英志介紹，我國預(yù)選在火星表面的著陸區(qū)是根據(jù)天文界研究成果以及國外對火星成像的照片來選擇的，選擇的時候其實(shí)我們還沒有第一手資料。

“天問一號”探測器是個“三件套”，包括環(huán)繞器、進(jìn)入艙和“祝融號”火星車，后兩者共同組成著陸巡視器。為了給著陸巡視器落火“看清楚路”，環(huán)繞器對預(yù)選著陸區(qū)開展了多維度探測，一方面探測地形地貌，選擇地形平坦無障礙的地方;另一方面靜候“天機(jī)”觀天象，獲取著陸區(qū)附近區(qū)域的氣象狀況。

褚英志進(jìn)一步解釋：“環(huán)繞器要對我們的著陸區(qū)進(jìn)行從北到南、覆蓋性的觀測，這種觀測要進(jìn)行很多次，方便進(jìn)行對比，要看這個區(qū)域是否存在沙塵暴，沙塵暴的運(yùn)動速度和方向等?！?/p>

由于火星車采用太陽能帆板的形式供電，大量沙塵會覆蓋在太陽能電池片的表面，從而降低發(fā)電效率甚至導(dǎo)致發(fā)電能力喪失?；鹦潜砻婷磕甓紩纬蓭讏龃笊硥m暴，歷史上就有探測器因抵達(dá)火星時趕上沙塵暴，最終沒能順利展開工作。對火星車來說，失去能源供應(yīng)無疑是致命的。

同時，沙塵暴可能改變著陸巡視器下降過程的動力學(xué)參數(shù)，影響著陸過程的安全性。沙塵粒子可能會附著在探測器表面，甚至鉆入內(nèi)部，造成儀器設(shè)備故障。因此，環(huán)繞器提前探測預(yù)選著陸區(qū)是至關(guān)重要的。

此外，環(huán)繞器還要對成像系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)飛行器上相機(jī)的成像效果。

據(jù)介紹，環(huán)繞器搭載了中分辨率和高分辨率兩種相機(jī)。高分辨率相機(jī)拍攝的照片像素高，受數(shù)據(jù)傳輸限制，大像素照片不能拍攝大范圍的區(qū)域。此時，就需要利用中分辨率相機(jī)作為補(bǔ)充。一旦發(fā)現(xiàn)值得探尋的區(qū)域，再利用高分辨率相機(jī)具體拍攝。

落火過程有多險

——經(jīng)歷“未知9分鐘”

人類火星探測起步于20世紀(jì)60年代，截至2020年6月底，全球共實(shí)施了44次探火活動，完全成功的探測任務(wù)只有19次，成功率不到50%。

著陸，是火星探測中風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)。迄今為止，人類成功登陸火星的探測器只有9個。“天問一號”的成功著陸，讓火星第一次留下中國人的印跡。

火星的北半球多平原，南半球多山地，因此此次火星軟著陸的地點(diǎn)就選擇在火星北半球的烏托邦平原的南部。

整個降落過程大致分為“進(jìn)入—減速—軟著陸”三步，簡稱為EDL（Entry，Descent，Landing）。據(jù)中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星探測器總體主任設(shè)計(jì)師王闖介紹，“天問一號”在進(jìn)入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進(jìn)行氣動減速，這個過程它克服了高溫和姿態(tài)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(jìn)行傘系減速，當(dāng)速度降至100米/秒時，“天問一號”通過反推發(fā)動機(jī)進(jìn)行減速，由大氣減速階段進(jìn)入動力減速階段。在距離火星表面100米時，“天問一號”進(jìn)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(jī)構(gòu)的保護(hù)下，抵達(dá)火星表面。

總的來說，整個過程“天問一號”在9分鐘內(nèi)將約2萬千米/時的速度降至0米/時。值得一提的是，雖然此前我國已有月表著陸經(jīng)驗(yàn)，但是此次“天問一號”火星軟著陸任務(wù)更加艱難。

一方面火星表面存在大氣，其大氣密度是地球表面大氣密度的1%左右，因此火星比月球的環(huán)境更為復(fù)雜;另一方面火星離地球距離更加遙遠(yuǎn)，通信時延單程為20分鐘左右，因此整個著陸過程相距遙遠(yuǎn)的地球來不及做任何處置，只能靠“天問一號”自主完成，經(jīng)歷“未知9分鐘”。

中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星巡視器總體主任設(shè)計(jì)師陳百超表示：“我國是首次實(shí)施火星探測任務(wù)，對火星的環(huán)境，特別是大氣，我們沒有一手?jǐn)?shù)據(jù)。所以相當(dāng)于我們到了一個完全未知的環(huán)境，這種難度可想而知。”

“天問一號”的環(huán)繞器可以理解為搭載著陸巡視器的“專車”。在登陸火星一系列動作中，它需要按順序完成軌道降低發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)等一系列動作，分離前后的控制總共需要約7個小時。這些太空芭蕾般的優(yōu)美舞姿，都需要環(huán)繞器自主、準(zhǔn)確、可靠地完成。

“這是一系列很關(guān)鍵的姿態(tài)和軌道機(jī)動，稍有不慎，探測器就可能被火星引力拉向火星表面墜毀。由于通信時延的存在，我們沒有辦法實(shí)時獲知探測器的狀態(tài)，無法對異常情況進(jìn)行及時干預(yù)?！杯h(huán)繞器副總設(shè)計(jì)師朱慶華說，“可以說，兩器分離的過程是對我們控制算法精度、產(chǎn)品工作可靠性、故障預(yù)案周密性等最充分的考驗(yàn)?！?/p>

明確了著陸器準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)后，探測器的一系列機(jī)動也就隨之確定下來。在探測器進(jìn)行第一次降軌點(diǎn)火的3個小時前，設(shè)計(jì)師們已上注所有控制策略，策略中包含了對可能發(fā)生情況的應(yīng)對。

分離時環(huán)繞器的軌道控制精度和姿態(tài)控制精度，是著陸巡視器能否進(jìn)入預(yù)定著陸區(qū)的前提。這些需要依賴于敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)以及算法的準(zhǔn)確性，可以說是對探測器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制分系統(tǒng)的一次大考。實(shí)際過程中，探測器需要自主進(jìn)行測量計(jì)算并進(jìn)行判斷，每個環(huán)節(jié)都必須精準(zhǔn)無誤、分秒不差。

設(shè)計(jì)師們也做了不同情況下的預(yù)案和對策。當(dāng)環(huán)繞器通過自身的敏感器發(fā)現(xiàn)沒有完成既定動作時，會自主攜帶著陸器迅速進(jìn)行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適時機(jī)再次選擇執(zhí)行兩器分離的一系列動作。

在此次火星探測任務(wù)中，環(huán)繞器不僅僅是一輛星際“專車”，它還是一座功能強(qiáng)大的通信“中繼站”，為火星表面巡視器與地球搭建通信橋梁，肩負(fù)對火星表面進(jìn)行遙感探測的任務(wù)，同時選擇恰當(dāng)?shù)臅r機(jī)將巡視器的數(shù)據(jù)“中繼”傳向地球。

在距離地球2.93億千米的軌道上準(zhǔn)確指向地球，相當(dāng)于要在2米開外瞄準(zhǔn)繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運(yùn)動情況下，時刻保持瞄準(zhǔn)狀態(tài)。

朱慶華說，環(huán)繞器攜帶有2塊太陽電池陣、1幅高增益數(shù)據(jù)傳輸天線、1幅對巡視器數(shù)據(jù)中繼天線。在環(huán)繞器執(zhí)行數(shù)據(jù)中繼任務(wù)時，需要驅(qū)動太陽電池陣對準(zhǔn)太陽方向以保證自身電能的供應(yīng)，同時需要高增益天線跟蹤地球、中繼天線指向巡視器以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”?！按藭r，環(huán)繞器需要同時實(shí)現(xiàn)對巡視器、地球、太陽3個目標(biāo)的高精度同步指向控制，絕對可以稱得上是面面俱到了?！敝茖?dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師聶欽博說。

聶欽博介紹，近地衛(wèi)星通常是長期對地穩(wěn)定，使用全向天線，不會出現(xiàn)通信鏈路中斷的問題，而環(huán)繞器在環(huán)火飛行時與地球距離遠(yuǎn)，由于天線波束角有限，設(shè)計(jì)師們要在確保對天線指向高精度控制的同時，對可能發(fā)生的通信鏈路中斷做出預(yù)案。

“我們設(shè)計(jì)了一種通信鏈路中斷后的自主恢復(fù)策略。一旦發(fā)生通信鏈路中斷，探測器就會‘自主慢旋，并在這一過程中，使天線掃到地球，進(jìn)而恢復(fù)通信鏈路。這一過程也是環(huán)繞器自主實(shí)現(xiàn)?！避浖O(shè)計(jì)師周志元說。

如今，環(huán)繞器依然在穩(wěn)定環(huán)火飛行，成為了著陸巡視器與地球之間的通信橋梁，完成數(shù)據(jù)中繼任務(wù)后，它也將全力開啟自己的環(huán)火遙感之旅。

“天問一號”著陸巡視器采用目前國際普遍使用的傘降減速方式，為安全著陸火星進(jìn)一步減速。但在火星降落傘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、校核、仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方面，和其他國家還有諸多不同。

“天問一號”這套傘系減速分系統(tǒng)由中國航天科技集團(tuán)五院508所研制，其降落傘首次采用鋸齒形盤縫帶傘，匹配國內(nèi)最大的航天器火工裝置彈傘筒，創(chuàng)新了傘繩插接工藝，深化了降落傘充氣過程及物傘系統(tǒng)動力學(xué)仿真，基于中國的條件充分開展了降落傘高空開傘試驗(yàn)、直升機(jī)投放強(qiáng)度試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證。

“天問一號”采用一頂主降落傘、一次性充氣展開減速的方案。降落傘是鋸齒形盤縫帶傘，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，有利于承力和確保穩(wěn)定性。專家表示，“天問一號”著陸巡視器進(jìn)入火星大氣后在自身的氣動外形下減速，降落傘打開后又將其進(jìn)一步減速到每秒約95米，之后著陸巡視器進(jìn)入懸停避障段。

火星降落傘的開傘條件比較特殊，主要體現(xiàn)在超聲速、低密度、低動壓開傘。針對火星降落傘的特殊開傘條件，科研人員在傘的設(shè)計(jì)研制中，從傘型選擇、設(shè)計(jì)參數(shù)選取、材料選用、局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面采取了相應(yīng)的特殊性措施。

科研人員充分借鑒以往探空火箭相同傘型的經(jīng)驗(yàn)以及國外火星探測降落傘的成果，對盤縫帶傘的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首次使用一些新研的特紡材料，并在傘繩連接等環(huán)節(jié)首次使用插接工藝，相比縫紉工藝連接強(qiáng)度顯著改善。

火星特殊的開傘條件，使得降落傘的試驗(yàn)驗(yàn)證難度空前。在地球上，最接近火星真實(shí)開傘條件的試驗(yàn)?zāi)M方法，就是高空開傘試驗(yàn)，即在地球表面40千米左右的高度，創(chuàng)造一個超聲速開傘條件，能最大程度地驗(yàn)證火星降落傘的功能性能。

如何把降落傘送到40千米的高空？無論是利用高空氣球還是探空火箭，都是高成本、高風(fēng)險的試驗(yàn)驗(yàn)證方式。令人欣慰的是，科研人員克服了開傘條件難以實(shí)現(xiàn)、降落傘開傘異常等諸多困難，為“天問一號”著陸火星交上了完美答卷。

使命是什么

——13種科學(xué)載荷完成五大使命

成功著陸后，“天問一號”“繞、著、巡”的串聯(lián)任務(wù)終于進(jìn)行到最后一步。著陸后，“天問一號”進(jìn)入艙將著陸信息通過環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)地面。進(jìn)入艙和“祝融號”火星車先后完成坡道及太陽翼天線展開，“祝融號”火星車將在第一時間將成功展開的消息傳回地面。一切準(zhǔn)備就緒后，火星車將自主駛離進(jìn)入艙，抵達(dá)火面，開始新的征程。

探測火星不僅是工程任務(wù)的突破，更是行星科學(xué)領(lǐng)域的突破。除了常規(guī)的通信、能源（太陽能帆板）、支撐結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)等部分外，“天問一號”整體上攜帶了13個科學(xué)載荷，其中7個在火星上空的環(huán)繞器上，6個分布在火星車上。

據(jù)介紹，“天問一號”環(huán)繞器搭載的7個科學(xué)載荷分別是中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀。而6個分布在火星車上的科學(xué)載荷，則分別為多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、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(jī)。

據(jù)專家介紹，這些科學(xué)載荷有五大使命，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究，將給中國帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關(guān)的研究項(xiàng)目將收集有關(guān)溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場和重力場，這些也將解答大眾的好奇，如火星究竟是什么樣的氣候等。

火星車有何絕招

——“祝融號”上演荒野求生

此前，中國首次火星探測任務(wù)總設(shè)計(jì)師張榮橋曾對外公布“祝融號”火星車的配置細(xì)節(jié)：火星車質(zhì)量約240千克，為6輪獨(dú)立驅(qū)動，攜帶6臺載荷，其太陽翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地將“祝融號”火星車比喻為“火星蝴蝶”。

火星環(huán)境是出了名的惡劣，要想完成使命，“祝融號”火星車必須足夠強(qiáng)大，努力“活下來”。中國曾數(shù)次造訪月球，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但月球與火星最大的不同，在于月表近乎真空，而火星有大氣層，這大大增加了探索火星的難度。

從以往火星探測器拍攝的圖片來看，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。但事實(shí)上，火星上的風(fēng)速可達(dá)每秒180米，這幾乎是地球上超強(qiáng)臺風(fēng)風(fēng)速的3倍多。這般“兇狠”的烈風(fēng)會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴。讓“祝融號”火星車的“眼睛”蒙塵，“翅膀”不再靈活。面對這種情況，設(shè)計(jì)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，這就使得火星車的行駛需要更加小心翼翼，以免被障礙物卡住造成操作的遲滯。那如何才能火星車的每一步都走得更加穩(wěn)妥呢？設(shè)計(jì)師們也想出了應(yīng)對之策。在中國航天科技集團(tuán)五院的實(shí)驗(yàn)室中，有一臺與“祝融號”一模一樣的火星車。當(dāng)“祝融號”在火星上遇到復(fù)雜路況時，地球上的火星車將對火星路況進(jìn)行模擬行駛，確認(rèn)無誤后才會發(fā)出指令。

按照計(jì)劃，在緊張工作90個火星日后，“祝融號”火星車將結(jié)束巡視探測工作，“天問一號”環(huán)繞器也將進(jìn)行軌道調(diào)整，從而開展環(huán)繞科學(xué)探測。

“一只南美洲亞馬孫河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)?！痹袑W(xué)者用上述語言形容“蝴蝶效應(yīng)”。如今，“祝融號”這只全球矚目的“火星蝴蝶”已成功著陸火星，后續(xù)又會帶給我們什么意外驚喜，讓我們一起拭目以待吧。

火星探測為什么“火”

火星探測，可以說是當(dāng)前行星探測的重點(diǎn)目標(biāo)。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(jì)60年代人類首次開展火星探測開始，截至目前，人類已進(jìn)行47次火星探測活動，包括2020年7月中國、阿聯(lián)酋以及美國實(shí)施的3次火星探測活動。

火星，成為人類探測時間最長、次數(shù)最多、參與國家最多的一顆行星。但是，火星探測任務(wù)的成功率卻一直不高。目前只有美國和中國掌握了火星軟著陸技術(shù)。

火星探測為什么這么“火”？專家介紹，火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標(biāo)。以往的探測發(fā)現(xiàn)了火星存在水的證據(jù)，火星上是否存在孕育生命條件等成為火星研究重大科學(xué)問題。研究火星對認(rèn)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(zhì)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?；鹦堑囊惶焓?4小時39分35秒，比地球長了約40分鐘。從工程實(shí)踐來看，按照目前的技術(shù)手段，火星探測相對于其他的行星探測，也更容易實(shí)現(xiàn)。

專家表示，“天問一號”是我國行星探測的起點(diǎn)，通過實(shí)施這次任務(wù)，新一輪創(chuàng)新將在火星使命牽引下全面鋪開，這對實(shí)現(xiàn)航天技術(shù)領(lǐng)域新跨越、推動我國由航天大國走向航天強(qiáng)國意義重大。