2021年5月19日，國(guó)家航天局發(fā)布“天問一號(hào)”落火影像。該圖由導(dǎo)航相機(jī)拍攝，鏡頭指向火星車尾部。圖中可見火星車太陽翼、天線展開正常到位;火星表面紋理清晰，地貌信息豐富。

北京時(shí)間2021年5月15日7時(shí)18分，“天問一號(hào)”探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸的消息從遙遠(yuǎn)的火星表面?zhèn)鱽?，中?guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星圓滿成功。

當(dāng)日，習(xí)近平總書記向首次火星探測(cè)任務(wù)指揮部并參加任務(wù)的全體同志致以熱烈的祝賀和誠(chéng)摯的問候，習(xí)近平在賀電中指出，“天問一號(hào)”探測(cè)器著陸火星，邁出了中國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步，實(shí)現(xiàn)了從地月系到行星際的跨越，在火星上首次留下中國(guó)人的印跡，這是中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展的又一具有里程碑意義的進(jìn)展。

自2020年7月23日在文昌航天發(fā)射場(chǎng)啟程，“天問一號(hào)”經(jīng)歷近7個(gè)月的“奔火”之旅和3個(gè)月的“環(huán)火”探測(cè)，“登火”成功，并開展巡視探測(cè)。通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)三大目標(biāo)，這在世界航天史上尚屬首次?；鹦翘綔y(cè)屬于高風(fēng)險(xiǎn)航天任務(wù)，中國(guó)突破了第二宇宙速度發(fā)射、行星際飛行及測(cè)控通信、地外行星軟著陸等關(guān)鍵技術(shù)，邁出了星際探測(cè)征程中的重要一步，是中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展中又一個(gè)具有重大意義的里程碑事件。

在奔赴火星到成功降落的征途中，“天問一號(hào)”需要經(jīng)過發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、火星停泊段、離軌著陸段和科學(xué)探測(cè)段六個(gè)飛行階段。其中，著陸是火星探測(cè)任務(wù)難度最高、風(fēng)險(xiǎn)最大的一步。

著陸火星表面有三大難點(diǎn)：

一是環(huán)境不確知，不確定性大?；鹦怯邢”〉拇髿鈱?，與月球和地球的環(huán)境截然不同。月球沒有大氣，著陸過程完全靠反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火減速，著陸過程干擾因素少。我們對(duì)地球的大氣環(huán)境有較深入的認(rèn)識(shí)，航天器從空間返回地球的設(shè)計(jì)依據(jù)比較明確，也比較充分。火星著陸的減速主要通過進(jìn)入艙的氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)和降落傘與大氣作用進(jìn)行減速，而我們對(duì)火星大氣的了解非常有限，同時(shí)火星大氣又十分不穩(wěn)定，有風(fēng)、有沙塵暴，這些天氣的出現(xiàn)是隨機(jī)的，存在很大的不確定性，這樣十分重要，但不確知、不確定的條件會(huì)給火星著陸帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。

二是著陸的過程較為復(fù)雜，充滿挑戰(zhàn)，需要在短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)動(dòng)作，不允許半點(diǎn)差錯(cuò)。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院“天問一號(hào)”探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲表示：“這個(gè)過程需要融合氣動(dòng)外形、降落傘、發(fā)動(dòng)機(jī)、著陸緩沖等多項(xiàng)技術(shù)才能實(shí)施軟著陸。每個(gè)環(huán)節(jié)都必須確保精準(zhǔn)無誤，稍有失誤都可能造成整個(gè)任務(wù)的失敗。”

三是地面無法干預(yù)，全程自主控制。著陸時(shí)，火星和地球的距離達(dá)到3.2億千米，無線電信號(hào)一來一往大約35分鐘，地面不可能直接遙控，所有動(dòng)作觸發(fā)條件的測(cè)量、判斷，所有動(dòng)作的執(zhí)行，包括最后階段通過拍攝著陸區(qū)的圖像并選擇滿足條件的著陸點(diǎn)，都要探測(cè)器自主完成。

回顧“奔火”之路

2020年4月24日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)低調(diào)研發(fā)數(shù)年之后，于中國(guó)航天日正式獲得命名——“天問一號(hào)”。

2021年2月10日，“天問一號(hào)”在浩渺無垠的太空中飛行了202天，行程4.75億千米后，與火星交會(huì)，成功實(shí)施火星捕獲，從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道。

2021年5月15日，“天問一號(hào)”探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸。

2020年7月23日，長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭托舉“天問一號(hào)”加速到超過11.2千米/秒的第二宇宙速度，之后完成分離，直接將探測(cè)器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，奔向火星。

2021年2月24日，“天問一號(hào)”探測(cè)器進(jìn)入火星停泊軌道，開展為期約3個(gè)月的環(huán)繞探測(cè)。

2021年5月17日，“天問一號(hào)”環(huán)繞器為火星車和地球建立了中繼通信鏈路，將火星的“真容”傳回地球。

“天問一號(hào)”在距離火星約220萬公里處，獲取了首幅火星圖像。①阿茜達(dá)利亞平原;②克律塞平原;③子午高原;④斯基亞帕雷利坑;⑤水手谷。

火星阿茜達(dá)利亞平原、克律塞平原、子午高原、斯基亞帕雷利坑，以及最長(zhǎng)的峽谷——水手谷等標(biāo)志性地貌清晰可見。

全色圖像由高分辨率相機(jī)在距離火星表面約330千米-350千米高度拍攝，分辨率約0.7米，成像區(qū)域內(nèi)火星表面小型環(huán)形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可見，據(jù)測(cè)算，圖中最大撞擊坑的直徑約620米。

2021年3月4日，國(guó)家航天局發(fā)布“天問一號(hào)”探測(cè)器拍攝的高清火星影像圖。

5月15日7時(shí)18分，“天問一號(hào)”著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。國(guó)家航天局探月與航天工程中心、新聞宣傳中心 供圖

著陸，步步驚心

進(jìn)入火星軌道后，“天問一號(hào)”探測(cè)器經(jīng)過幾次調(diào)整，于2021年2月24日成功實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入火星停泊軌道，開展為期約3個(gè)月的環(huán)繞探測(cè)?！疤靻栆惶?hào)”探測(cè)器環(huán)火期間，每次經(jīng)過預(yù)定著陸區(qū)烏托邦平原上空時(shí)，都會(huì)利用高分辨率相機(jī)對(duì)預(yù)定著陸區(qū)地形、地貌進(jìn)行詳查，每隔一段時(shí)間都會(huì)利用中分辨率相機(jī)探測(cè)著陸區(qū)是否存在沙塵天氣，為著陸巡視器安全著陸做好準(zhǔn)備。

北京時(shí)間5月15日凌晨1時(shí)許，“天問一號(hào)”探測(cè)器在火星停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。隨后，環(huán)繞器與著陸巡視器分離，環(huán)繞器返回停泊軌道，著陸巡視器運(yùn)行到距離火星表面125千米高度時(shí)，開始進(jìn)入火星大氣。

從進(jìn)入火星大氣層到最終著陸的過程中，“天問一號(hào)”經(jīng)歷了“生死9分鐘”—通過一連串10多個(gè)動(dòng)作，將速度由2萬千米/小時(shí)減到0，這些動(dòng)作環(huán)環(huán)相扣，要一氣呵成，每個(gè)動(dòng)作都只有一次機(jī)會(huì)，一步出錯(cuò)，全盤皆輸。

著陸巡視器進(jìn)入火星大氣后，通過外形結(jié)構(gòu)與火星大氣劇烈摩擦減速，減速一定程度后展開配平翼，利用空氣動(dòng)力來調(diào)整姿態(tài)。然后，從背罩上彈出降落傘，進(jìn)一步減速。繼而，拋掉進(jìn)入艙的大底，展開4條支腿，通過雷達(dá)測(cè)量速度和對(duì)火距離，在距離地面一定高度時(shí)拋掉背罩和降落傘，7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)進(jìn)行動(dòng)力減速，邊下降邊進(jìn)行粗避障。在距離火面約100米處懸停，再次判斷地形，選定最終著陸點(diǎn)，再緩緩著陸，在觸地瞬間準(zhǔn)確判斷已經(jīng)著陸，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完成著陸過程。

“天問一號(hào)”火星探測(cè)器著陸全過程

“天問一號(hào)”探測(cè)器

●“天問一號(hào)”探測(cè)器重約5噸，由著陸巡視器（進(jìn)入艙和“祝融號(hào)”火星車）和環(huán)繞器共同組成。

●在執(zhí)行著陸任務(wù)時(shí)，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。著陸巡視器在火星烏托邦平原南部預(yù)定區(qū)域?qū)嵤┸浿懀?/p>

●火星車駛離著陸平臺(tái)，開展巡視探測(cè)等工作。

●環(huán)繞器升軌返回到停泊軌道，為著陸過程提供中繼通信，繼而進(jìn)入中繼軌道，為火星車提供通信中繼。

模擬火星探測(cè)器著陸火星表面。

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●火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，火星上是否存在孕育生命條件成為火星研究重大科學(xué)問題。

●火星半徑約為地球的一半，體積約為地球的1/7;質(zhì)量約為地球的1/10，重力加速度約為地球的3/8;自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)37分23秒，一天比地球略長(zhǎng);公轉(zhuǎn)周期為687天，接近地球的2年，與地球的會(huì)合周期約為26個(gè)月?；鹦怯邢”〈髿猓芏燃s為地球的1%，成分主要是二氧化碳，占95%以上。目前測(cè)到的最高氣溫約27度，最低達(dá)到零下130度。

●人類對(duì)于火星的探索，從20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始。目前只有美國(guó)和中國(guó)掌握了火星軟著陸技術(shù)。

2020年10月1日，國(guó)家航天局發(fā)布我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問一號(hào)”探測(cè)器飛行圖像。

為什么著陸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，以往的火星探測(cè)任務(wù)大多數(shù)選擇著陸在北半球。

●為了實(shí)現(xiàn)“安全著陸與巡視”的要求，科研人員識(shí)別了火星高度、坡度、巖石、風(fēng)速、塵土、能源等約束要素，在各種條件相對(duì)較好的北緯5度-30度區(qū)間內(nèi)，選了兩個(gè)區(qū)域。

●“祝融號(hào)”火星車軟著陸的烏托邦平原南部預(yù)定區(qū)域，很可能是一個(gè)古海洋所在地，有很高的科學(xué)價(jià)值。據(jù)專家介紹，地處火星北半球的烏托邦平原是太陽系中最大的撞擊盆地，直徑約3300千米。

火星車“祝融號(hào)”的任務(wù)

“天問一號(hào)”成功著陸當(dāng)日，著陸平臺(tái)完成坡道展開，“祝融號(hào)”火星車完成桅桿、太陽翼和天線展開，在第一時(shí)間將成功展開的消息傳回地面。

5月17日，環(huán)繞器進(jìn)入中繼軌道，為“祝融號(hào)”和地球建立中繼通信鏈路，將火星的“真容”傳回地球。

“祝融號(hào)”火星車按程序進(jìn)行環(huán)境感知和狀態(tài)檢查，一切準(zhǔn)備就緒后，于5月22日10時(shí)40分，安全駛離著陸平臺(tái)，抵達(dá)火星表面，開始新的征程。

中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的科學(xué)目標(biāo)是：研究火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、火星表面土壤特征與水冰分布、火星表面物質(zhì)組成、火星大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征、火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。

“祝融號(hào)”火星車以3天為一個(gè)工作周期開展科學(xué)探測(cè)。受苛刻環(huán)境影響，“祝融號(hào)”每日只能工作約兩個(gè)小時(shí)，工作內(nèi)容主要包括環(huán)境感知、移動(dòng)巡視、科學(xué)探測(cè)、數(shù)據(jù)下傳等。“祝融號(hào)”開展90個(gè)火星日（約92個(gè)地球日，火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時(shí)37分鐘）的科學(xué)探測(cè)后，將完成既定的巡視探測(cè)目標(biāo)。

“天問一號(hào)”留守火星，環(huán)繞探測(cè)

火星車前避障相機(jī)正對(duì)前進(jìn)方向進(jìn)行拍攝。圖中可見坡道機(jī)構(gòu)展開正常; 圖像上部的兩個(gè)伸桿為已經(jīng)展開到位的次表層雷達(dá)天線;前進(jìn)方向地形清晰。為獲知火星車前進(jìn)方向更大范圍的地形信息，避障相機(jī)采用大廣角鏡頭，在廣角鏡頭畸變的影響下，遠(yuǎn)處地平線形成一條弧線。

5月17日，“天問一號(hào)”環(huán)繞器通過第四次近火制動(dòng)，順利進(jìn)入周期為8.2小時(shí)中繼通信軌道，成為地球和火星之間的“信使”，同時(shí)開展科學(xué)探測(cè)。按照計(jì)劃，在火星車完成90個(gè)火星日的既定探測(cè)工作后，環(huán)繞器將進(jìn)行軌道調(diào)整，進(jìn)入近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)1.2萬公里的科學(xué)探測(cè)軌道，對(duì)火星開展約1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年）的遙感探測(cè)，力求對(duì)火星表面“全覆蓋”，同時(shí)兼顧火星車后續(xù)探測(cè)的中繼通信。

“天問一號(hào)”任務(wù)之后，中國(guó)的行星探測(cè)計(jì)劃將繼續(xù)新的征程。據(jù)了解，2025年前后，將實(shí)施小行星探測(cè)任務(wù)，2030年前后，將實(shí)施火星取樣返回、木星系探測(cè)等任務(wù)，目前正在開展關(guān)鍵技術(shù)研究，更多的“天問”系列任務(wù)，將使中國(guó)的行星探測(cè)邁向更遠(yuǎn)的深空。

2021年5月15日，航天科研人員在北京航天飛行控制中心指揮大廳慶祝我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星成功。攝影 王永亮 閆曉洌/北京航天飛行控制中心

（本報(bào)道得到國(guó)家航天局大力支持，報(bào)道中未署名圖片由國(guó)家航天局提供。）