邱晨輝

火星，地球隔壁的行星。千百年來，人類一直對這位“近在眼前”的紅臉蛋鄰居充滿好奇。這一次，中國使者登門拜訪。

2021年5月15日，仿若一個孤身探險的俠客，來自中國的天問一號火星探測器，在單槍匹馬跋涉295天、穿越漫漫星河之后，終于在火星成功著陸。

從地球到火星，9個多月，4億多公里，旅途之漫長，堪稱我國第一次真正意義上的深空之旅。地球與火星的距離即便最近時也有5000多萬公里，是地球和月球之間平均距離的140多倍，有航天專家以“跨越太平洋的高爾夫”來形容這次任務(wù)，難度之大可見一斑。

2021年2月，天問一號探測器抵達火星軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星。如今，又經(jīng)過3個月的養(yǎng)精蓄銳，天問一號完成著陸巡視器與環(huán)繞器分離，成功“親吻”火星表面。

著陸地點是火星烏托邦平原。這是火星上最大的平原，也是一個頗具浪漫色彩和想象空間的地點?？苹眯≌f《星際旅行》就將此處設(shè)定為星際聯(lián)邦的主要造船基地?，F(xiàn)在，這里第一次留下來自中國的印跡。

最驚心動魄的9分鐘

火星的北半球多平原，南半球多山地，此次火星軟著陸的地點就選擇在火星北半球烏托邦平原的南部。雖然是“平原”，但這并不意味在此處著陸就可以高枕無憂。

中國航天科技集團五院總體設(shè)計部火星探測器總體主任設(shè)計師王闖告訴記者，天問一號整個降落過程大致分為“進入-減速-軟著陸”三步，天問一號需要在9分鐘內(nèi)，將每小時約兩萬千米的速度降到零。

“這是最為驚心動魄的9分鐘！整個著陸過程步步驚心，技術(shù)十分復(fù)雜。”王闖說，截至目前，人類火星探測任務(wù)成功率僅有五成左右，大部分失敗都是折戟在這一階段。

中國航天科技集團五院天問一號探測器總設(shè)計師孫澤洲說，火星探測最大的難點就是著陸，這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發(fā)動機、多級減速和著陸反沖等多項技術(shù)才能實施軟著陸。每個環(huán)節(jié)都必須確保精準無誤，差一秒都可能造成整個任務(wù)的失敗。

具體來看，天問一號首先瞄準進入火星大氣層的一個狹窄的進入走廊，借助火星大氣進行氣動減速，這個過程要克服高溫和姿態(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，天問一號打開火星專用降落傘，進行傘系減速。待降落傘完成使命后，天問一號探測器拋掉大底和背罩，露出著陸平臺和火星車，當速度降至每秒100米時，再通過反推發(fā)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，完成精準避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機構(gòu)的保護下，抵達位于火星東經(jīng)109.9°北緯25.1°的著陸點。

這么看來，要想平安穩(wěn)定地降落到火星表面，首當其沖的問題就是讓高速奔馳的天問一號減速。

“超音速降落傘是減速技術(shù)中難度最大的一個環(huán)節(jié)，天問一號在使用降落傘時要保證在超音速、低密度、低動壓下打開，而這個過程存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定等問題?！蓖蹶J說。

他解釋道，由于火星大氣非常稀薄，進入火星時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。

“雖然此前我國已有月表著陸經(jīng)驗，但是此次天問一號火星軟著陸任務(wù)更加艱難?！蓖蹶J說。一方面火星表面存在大氣，因此火星比月球表面有更復(fù)雜的環(huán)境；另一方面火星離地球距離更加遙遠，通信時延達到20分鐘左右，因此整個著陸過程相距遙遠的地表來不及做任何處置，只能靠天問一號自主完成，經(jīng)歷“生死9分鐘”。

孫澤洲表示，為此，早在著陸前，天問一號在火星停泊軌道上就對著陸區(qū)進行了詳查預(yù)探測，獲取了大量的著陸區(qū)地形地貌的數(shù)據(jù)，并對火星塵暴發(fā)生的概率進行了評估。

值得一提的是，天問一號探測器繼承了嫦娥三號、四號、五號成熟的懸停、避障技術(shù)，以確保安全著陸。孫澤洲說，“在這些措施的基礎(chǔ)上，我們還在國際上首次采用了基于配平翼的彈道升力式進入方案，以降低火星大氣參數(shù)不確定性帶來的風險。”

“最后一腳”穩(wěn)準剎車

當天問一號來到距離火星表面約兩公里處，以每秒約100米的速度不斷接近火星表面——這個速度相當于目前我國高鐵的最高運行速度?；鹦且呀阱氤撸€需要一腳“剎車”來實施著陸。

減速、懸停、避障、降落，由中國航天科技集團第六研究院（以下簡稱“六院”）研制的7500牛變推力發(fā)動機這時登場，它像一位曼妙的舞者，翩翩而至，也讓天問一號著陸巡視器輕盈落在火星表面，順利完成了自己的使命。

據(jù)六院專家介紹，天問一號著陸巡視器7500牛變推力發(fā)動機，正是此前我國落月所用變推力發(fā)動機的2.0版本。之所以從1.0升級到2.0，是因為火星表面軟著陸的難度升級了。

首先，火星實在太遠了。六院專家說，月球與地球的平均距離為38萬公里，而火星與地球的距離在5000萬至4億公里左右，遠遠超過地月距離。在地球上，最多0.13秒能實現(xiàn)任意兩點通訊，地月之間需要2.5秒，但當天問一號需要在火星著陸時，火星與地球的距離為3億公里，完成一次通訊需要半個多小時。

換言之，來自火星的信號還沒傳到地球，天問一號探測器可能就已經(jīng)“收工”了。對于身在遙遠異鄉(xiāng)的小家伙，這一段路得自己操心，每一次推力的變化必須非常迅速、精準，發(fā)動機需要很“聽話”。

會不會頻繁猛踩剎車，是人們評判一個司機駕駛技術(shù)好壞的重要指標之一。同樣，為了減少降落過程中對著陸巡視器的沖擊，將“乘客”平穩(wěn)送達，發(fā)動機采用了“長距離輕剎車”的技術(shù)。

六院專家介紹，在天問一號降落過程中，雷達等探測設(shè)備會像眼睛一樣盯著火星地面，測量巡視器距離地面高度等參數(shù)，這些參數(shù)進入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，由這個睿智的“大腦”計算出對發(fā)動機的推力要求。發(fā)動機會按照預(yù)設(shè)的時序和實時的指令，完成變推力調(diào)節(jié)，讓著陸巡視器慢下來，最后以很低的速度穩(wěn)穩(wěn)著陸在火星表面。

火星表面著陸的另一個難點在于，月球表面近似真空，而火星表面有一層稀薄的大氣。在降落過程中，著陸器與火星表面的大氣會劇烈摩擦，為了防止被“燒糊”，著陸器上增加了一個防熱大底，原本可以“伸出去”的發(fā)動機，就這樣被“兜起來”了。

不過，有限的艙體空間限制著發(fā)動機的尺寸，天問一號探測器變推力發(fā)動機的高度，比嫦娥三號探測器變推力發(fā)動機要縮小超60%。六院專家表示，推力等主要性能指標卻保持不變，“小個子”要爆發(fā)出“大能量”，這意味著發(fā)動機必須更結(jié)實。

去一趟火星不容易，天問一號能攜帶“乘客”的總重量是有限的。科研人員從發(fā)動機的原理入手，按照任務(wù)的需求和特點，對系統(tǒng)參數(shù)和總裝布局進行了優(yōu)化，既保證了功能，又增加了一些新技術(shù)，應(yīng)用了一些新材料，發(fā)動機沒有“長肉”“增肌”，重量還減少了2/3，為其他“乘客”讓了讓“座”。

“火星蝴蝶”開啟荒野求生

成功著陸后，“繞、著、巡”的串聯(lián)任務(wù)終于進行到最后一步——“巡”。全球矚目的中國第一輛火星車“祝融號”也將正式登場。

國家航天局探月與航天工程中心深空部部長耿言5月15日透露， “祝融號”火星車將首先進行自檢和環(huán)境感知，大約再過一周時間，將駛離著陸平臺，開啟火星探測，將跨越數(shù)億公里回傳圖像。

此前，中國首次火星探測任務(wù)總設(shè)計師張榮橋曾對外公布“祝融號”火星車的配置細節(jié)：火星車質(zhì)量約240公斤，為6輪獨立驅(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”。

張榮橋說，著陸器將著陸信息通過環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)地面，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。一切就緒后，“祝融號”火星車將自主駛離著陸器，抵達火星表面，開啟新的征程。

火星的環(huán)境是出了名的惡劣，要想完成使命，火星車首先得存活下來。這就需要“祝融號”足夠強大。中國曾數(shù)次造訪月球，積累了寶貴的經(jīng)驗。但月球與火星最大的不同，便在于月表近乎真空，而火星有大氣層，這會大大增加探索火星的難度。

如果只是看圖片，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。事實上，火星上的風速可達每秒180米，這幾乎是地球上特大臺風風速的三倍還多?？耧L會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴，讓“祝融號”的眼睛蒙塵、翅膀不再靈活。

面對這樣的情況，中國的航天設(shè)計師們使用了一種新材料，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?；鹦潜砻孢€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。

那么，如何讓火星車的每一步都走得更加穩(wěn)妥呢？在中國航天科技集團五院的研究室中，有一臺一模一樣的火星車。當在火星上遇到復(fù)雜的路況時，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(fā)出指令。

按照計劃，接下來“祝融號”將邁出火星第一步，留下中國探測器在火星上的第一個腳印。

在中國航天科技集團五院總體設(shè)計部天問一號探測器副總設(shè)計師賈陽的案頭，擺放著一枚精美無比的藍色蝴蝶標本。據(jù)賈陽透露，火星車的設(shè)計靈感，正是來自這枚蝴蝶——無線電成了它的復(fù)眼，天線成了它的觸須，而火星車的車標，設(shè)計靈感也是來自800年前的印章文物?？茖W(xué)與人文這一刻完美結(jié)合。

“祝融號”這只“火星蝴蝶”，后續(xù)將給人們帶來什么意想不到的發(fā)現(xiàn)和驚喜？讓我們拭目以待。

（摘自5月18日《中國青年報》。作者為該報記者）