圖/《人民日報》

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選著陸區(qū)，我國首次火星探測任務著陸火星取得成功！

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)射實現(xiàn)“繞、著、巡”三大任務，這在世界航天史上尚屬首次。火星探測屬于高風險航天任務，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鍵技術，邁出了星際探測征程中的重要一步。

為何三個月才抵達——一刻不閑，為落火做萬全準備

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”觀天象，獲取著陸區(qū)附近區(qū)域的氣象狀況。

褚英志進一步解釋：“環(huán)繞器要對我們的著陸區(qū)進行從北到南、覆蓋性的觀測，這種觀測要進行很多次，方便進行對比，要看這個區(qū)域是否存在沙塵暴，沙塵暴的運動速度和方向等。”

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)電效率甚至導致發(fā)電能力喪失。火星表面每年都會形成幾場大沙塵暴，歷史上就有探測器因抵達火星時趕上沙塵暴，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，造成儀器設備故障。因此，環(huán)繞器提前探測預選著陸區(qū)是至關重要的。

此外，環(huán)繞器還要對成像系統(tǒng)進行驗證，檢驗飛行器上相機的成像效果。

據(jù)介紹，環(huán)繞器搭載了中分辨率和高分辨率兩種相機。高分辨率相機拍攝的照片像素高，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作為補充。一旦發(fā)現(xiàn)值得探尋的區(qū)域，再利用高分辨率相機具體拍攝。

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60年代，截至2020年6月底，全球共實施了44次探火活動，完全成功的探測任務只有19次，成功率不到50%。

著陸，是火星探測中風險最高的環(huán)節(jié)。迄今為止，人類成功登陸火星的探測器只有9個?！疤靻栆惶枴钡某晒χ懀尰鹦堑谝淮瘟粝轮袊说挠≯E。

9分鐘內(nèi)速度從2萬千米/時降為0米/時

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)中國航天科技集團五院總體設計部火星探測器總體主任設計師王闖介紹，“天問一號”在進入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進行氣動減速，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”打開降落傘進行傘系減速，當速度降至100米/秒時，“天問一號”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。在距離火星表面100米時，“天問一號”進入懸停階段，完成精避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機構的保護下，抵達火星表面。

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，但是此次“天問一號”火星軟著陸任務更加艱難。

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)境更為復雜；另一方面火星離地球距離更加遙遠，通信時延單程為20分鐘左右，因此整個著陸過程相距遙遠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”。

中國航天科技集團五院總體設計部火星巡視器總體主任設計師陳百超表示：“我國是首次實施火星探測任務，對火星的環(huán)境，特別是大氣，我們沒有一手數(shù)據(jù)。所以相當于我們到了一個完全未知的環(huán)境，這種難度可想而知?！?/p>

稍有不慎就撞向火星表面

“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)動機點火和關機、兩器分離姿態(tài)建立、兩器分離后軌道升高發(fā)動機點火和關機等一系列動作，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、準確、可靠地完成。

“這是一系列很關鍵的姿態(tài)和軌道機動，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，我們沒有辦法實時獲知探測器的狀態(tài)，無法對異常情況進行及時干預?！杯h(huán)繞器副總設計師朱慶華說，“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、故障預案周密性等最充分的考驗?！?/p>

明確了著陸器準確的著陸點后，探測器的一系列機動也就隨之確定下來。在探測器進行第一次降軌點火的3個小時前，設計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入預定著陸區(qū)的前提。這些需要依賴于敏感器、執(zhí)行機構、計算機以及算法的準確性，可以說是對探測器導航、制導與控制分系統(tǒng)的一次大考。實際過程中，探測器需要自主進行測量計算并進行判斷，每個環(huán)節(jié)都必須精準無誤、分秒不差。

設計師們也做了不同情況下的預案和對策。當環(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行軌道抬升以避免撞向火星，并在合適時機再次選擇執(zhí)行兩器分離的一系列動作。

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首次火星探測任務著陸火星成功（新華社 金立旺 攝）

環(huán)繞器成通信“中繼站”

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

在距離地球2.93億千米的軌道上準確指向地球，相當于要在2米開外瞄準繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身飛行運動情況下，時刻保持瞄準狀態(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)中繼任務時，需要驅動太陽電池陣對準太陽方向以保證自身電能的供應，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)繞器需要同時實現(xiàn)對巡視器、地球、太陽3個目標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?、導航與控制系統(tǒng)主任設計師聶欽博說。

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，由于天線波束角有限，設計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案。

“我們設計了一種通信鏈路中斷后的自主恢復策略。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，進而恢復通信鏈路。這一過程也是環(huán)繞器自主實現(xiàn)。”軟件設計師周志元說。

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)中繼任務后，它也將全力開啟自己的環(huán)火遙感之旅。

降落傘試驗驗證難度空前

“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，為安全著陸火星進一步減速。但在火星降落傘系統(tǒng)的設計、校核、仿真分析和試驗驗證方面，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)動力學仿真，基于中國的條件充分開展了降落傘高空開傘試驗、直升機投放強度試驗等試驗驗證。

“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一步減速到每秒約95米，之后著陸巡視器進入懸停避障段。

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，科研人員在傘的設計研制中，從傘型選擇、設計參數(shù)選取、材料選用、局部結構改進等方面采取了相應的特殊性措施。

科研人員充分借鑒以往探空火箭相同傘型的經(jīng)驗以及國外火星探測降落傘的成果，對盤縫帶傘的設計參數(shù)進行優(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度顯著改善。

火星特殊的開傘條件，使得降落傘的試驗驗證難度空前。在地球上，最接近火星真實開傘條件的試驗模擬方法，就是高空開傘試驗，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、高風險的試驗驗證方式。令人欣慰的是，科研人員克服了開傘條件難以實現(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)任務終于進行到最后一步。著陸后，“天問一號”進入艙將著陸信息通過環(huán)繞器轉發(fā)地面。進入艙和“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。一切準備就緒后，火星車將自主駛離進入艙，抵達火面，開始新的征程。

探測火星不僅是工程任務的突破，更是行星科學領域的突破。除了常規(guī)的通信、能源（太陽能帆板）、支撐結構、動力系統(tǒng)等部分外，“天問一號”整體上攜帶了13個科學載荷，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個科學載荷分別是中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、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載荷，則分別為多光譜相機、次表層探測雷達、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。

據(jù)專家介紹，這些科學載荷有五大使命，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結構等研究，將給中國帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關的研究項目將收集有關溫度、氣壓、風速和風向的大氣數(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。

高分辨率相機可對火星重點地區(qū)開展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來自中國的“定妝照”（圖/中國科學院官網(wǎng)）

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總設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240千克，為6輪獨立驅動，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”火星車必須足夠強大，努力“活下來”。中國曾數(shù)次造訪月球，積累了寶貴經(jīng)驗。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。但事實上，火星上的風速可達每秒180米，這幾乎是地球上超強臺風風速的3倍多。這般“兇狠”的烈風會掀起大量的沙塵、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，設計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？設計師們也想出了應對之策。在中國航天科技集團五院的實驗室中，有一臺與“祝融號”一模一樣的火星車。當“祝融號”在火星上遇到復雜路況時，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，在緊張工作90個火星日后，“祝融號”火星車將結束巡視探測工作，“天問一號”環(huán)繞器也將進行軌道調(diào)整，從而開展環(huán)繞科學探測。

“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?！痹袑W者用上述語言形容“蝴蝶效應”。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。

國家國防科工局探月與航天工程中心發(fā)布的"祝融號"火星車外觀設計構型圖（圖/新華社）

鏈接

火星探測為什么“火”

火星探測，可以說是當前行星探測的重點目標。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60年代人類首次開展火星探測開始，截至目前，人類已進行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。

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。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問題。研究火星對認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。從工程實踐來看，按照目前的技術手段，火星探測相對于其他的行星探測，也更容易實現(xiàn)。

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