為何飛了這么久？落火過(guò)程有多險(xiǎn)？著陸之后做什么？設(shè)計(jì)師揭秘天問(wèn)一號(hào)

圖為天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器著陸火星過(guò)程效果圖。

(中國(guó)航天科技集團(tuán)五院供圖)

5月15日，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，火星上首次留下了中國(guó)人的印跡。

早在2月10日，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器就成功“剎車”被火星捕獲，但隨后3個(gè)月“遲遲”未落。為何飛了這么久？降落火星，為何專家們稱這是“任務(wù)最核心、最難的地方”？著陸后，天問(wèn)一號(hào)又會(huì)以什么方式探索火星？帶著這些疑問(wèn)，記者采訪了中國(guó)航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星探測(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員鄭永春等專家。

為何這么久才抵達(dá)？

一刻不閑，為落火做萬(wàn)全準(zhǔn)備

被火星捕獲后，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在3個(gè)多月里不僅對(duì)火星開展了多維度探測(cè)，還為著陸火星做好萬(wàn)全準(zhǔn)備。

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器是個(gè)“三件套”，包括環(huán)繞器、進(jìn)入艙和“祝融號(hào)”火星車，后兩者共同組成著陸巡視器。據(jù)航天科技集團(tuán)八院509所環(huán)繞器總體副主任設(shè)計(jì)師杜洋介紹，為了給著陸巡視器落火“打前站”，環(huán)繞器對(duì)預(yù)選著陸區(qū)開展多維度探測(cè)，一方面探測(cè)地形地貌，選擇地形平坦無(wú)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。

火星表面每年都會(huì)形成幾場(chǎng)大沙塵暴，歷史上就有探測(cè)器因抵達(dá)火星時(shí)趕上沙塵暴，最終沒能順利展開工作。沙塵暴可能改變著陸巡視器下降過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，影響著陸過(guò)程的安全性，且沙塵粒子可能會(huì)附著在探測(cè)器表面，甚至鉆入內(nèi)部，造成儀器設(shè)備故障。

由于火星車采用太陽(yáng)能帆板的形式供電，大量沙塵會(huì)覆蓋在太陽(yáng)能電池片的表面，降低發(fā)電效率甚至導(dǎo)致發(fā)電能力喪失。對(duì)火星車來(lái)說(shuō)，失去能源供應(yīng)無(wú)疑是致命的。因此，環(huán)繞器提前探測(cè)預(yù)選著陸區(qū)，了解沙塵暴等動(dòng)向，從而避開惡劣天氣。

天問(wèn)一號(hào)的登陸地點(diǎn)是火星烏托邦平原南部，通過(guò)分析該區(qū)域此前的氣象數(shù)據(jù)和火星探測(cè)器遙感數(shù)據(jù)，5月中下旬落火是較穩(wěn)妥的選擇。

除了做準(zhǔn)備工作，天問(wèn)一號(hào)還完成了一系列科學(xué)探測(cè)。2月24日，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入火星停泊軌道后，環(huán)繞器上的7臺(tái)科學(xué)儀器就已全部開機(jī)開始工作，期間還進(jìn)行了多次軌道調(diào)整。這意味著，它獲取了火星不同軌道高度上的科學(xué)信息，而不同軌道高度處的探測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以幫助我們更全面地了解火星的空間環(huán)境信息，例如火星的磁場(chǎng)、電離層、太陽(yáng)風(fēng)與火星高層大氣之間的相互作用等。

落火過(guò)程有多險(xiǎn)？

由天問(wèn)一號(hào)自主完成，經(jīng)歷“未知9分鐘”

天問(wèn)一號(hào)落火分三步：進(jìn)入，減速和軟著陸，簡(jiǎn)稱“EDL”。5月15日凌晨1時(shí)許，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道；4時(shí)許，著陸巡視器與環(huán)繞器分離，歷經(jīng)約3小時(shí)飛行后，進(jìn)入火星大氣，經(jīng)過(guò)約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖，成功軟著陸于預(yù)選著陸區(qū)。

“這是整個(gè)任務(wù)中風(fēng)險(xiǎn)最高的一步，著陸過(guò)程無(wú)法由地面實(shí)時(shí)控制，只能靠天問(wèn)一號(hào)自主完成?！蓖蹶J告訴記者，進(jìn)入火星大氣層以后，天問(wèn)一號(hào)首先借助火星大氣進(jìn)行氣動(dòng)減速，克服超高速摩擦產(chǎn)生的高溫、氣動(dòng)帶來(lái)的姿態(tài)偏差等挑戰(zhàn)，將約2萬(wàn)千米/小時(shí)的下降速度減掉了90%左右；緊接著，天問(wèn)一號(hào)打開降落傘，進(jìn)行傘系減速，當(dāng)速度降至100米/秒時(shí)再通過(guò)反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，由大氣減速階段進(jìn)入動(dòng)力減速階段。距離火星表面100米時(shí)，天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入懸停階段，精準(zhǔn)避障、緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)和氣囊的保護(hù)下穩(wěn)穩(wěn)降落在火星表面。

難中之難是降落傘?！俺羲俳德鋫闶菧p速技術(shù)中難度最大的環(huán)節(jié)，天問(wèn)一號(hào)在使用降落傘時(shí)要保證在超音速、低密度、低動(dòng)壓下打開，而這個(gè)過(guò)程存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定等問(wèn)題?！蓖蹶J說(shuō)，由于火星大氣稀薄，研制人員設(shè)計(jì)了具備高效減速性能的探測(cè)器氣動(dòng)外形和防熱結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了更輕量化的防熱材料。

雖然此前我國(guó)已有月面著陸經(jīng)驗(yàn)，但這次天問(wèn)一號(hào)火星軟著陸任務(wù)更艱難?！暗孛嬲九c探測(cè)器間通信是通過(guò)無(wú)線電波實(shí)現(xiàn)的，傳播速度每秒約30萬(wàn)千米。月球到地球的平均距離是38萬(wàn)千米，所以月球探測(cè)器與地球通信時(shí)幾乎感覺不到延時(shí)，但地球到火星之間的距離是變化的，最近時(shí)約5500萬(wàn)千米，最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)到4億千米?！编嵱来焊嬖V記者，由于距離遠(yuǎn)，地面與火星探測(cè)器的通信面臨最長(zhǎng)接近20分鐘的延時(shí)，科研人員無(wú)法隨時(shí)控制探測(cè)器，考驗(yàn)前所未有。

“我國(guó)首次實(shí)施火星探測(cè)任務(wù)，沒有火星環(huán)境特別是大氣等參數(shù)的一手?jǐn)?shù)據(jù)，相當(dāng)于在一個(gè)完全未知的環(huán)境步步摸索，難度可想而知?！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星巡視器總體主任設(shè)計(jì)師陳百超說(shuō)。

在天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器落火前一天，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表評(píng)論文章，稱“祝融號(hào)”火星車著陸是對(duì)中國(guó)深空探測(cè)能力的最大考驗(yàn)。報(bào)道還援引意大利博洛尼亞射電天文研究所行星科學(xué)家羅伯特·奧羅塞的話：“這項(xiàng)任務(wù)對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的飛躍，因?yàn)樗麄円淮尉屯瓿闪嗣绹?guó)宇航局花了數(shù)十年才完成的任務(wù)?！?/p>

落火后做什么？

將依次開展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺(tái)并進(jìn)行巡視探測(cè)

到達(dá)火星不是目的，盡可能獲得有效科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)才是目標(biāo)。接下來(lái)，火星車將依次開展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺(tái)并進(jìn)行巡視探測(cè)。

天問(wèn)一號(hào)總共攜帶了13種科學(xué)儀器，能照相，會(huì)測(cè)物質(zhì)、測(cè)環(huán)境、測(cè)地質(zhì)、看氣象，坐擁“百般武藝”?；鹦擒嚭铜h(huán)繞器共同肩負(fù)科學(xué)探測(cè)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，將為中國(guó)帶來(lái)火星研究的第一手資料。

火星車高1.85米，重量達(dá)240公斤左右，裝有4個(gè)“蝴蝶翅膀”——太陽(yáng)能電池板，6個(gè)輪子均是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，是輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”。車上載有6種科學(xué)儀器，包括多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量?jī)x、導(dǎo)航地形相機(jī)等，此外還有避障相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)等諸多工程儀器。

環(huán)繞器對(duì)火星車的意義不止“帶一程”。著陸巡視器安全著陸后，環(huán)繞器會(huì)停留在通信中繼軌道，轉(zhuǎn)發(fā)各種信息數(shù)據(jù)回地球，同時(shí)也向火星車傳達(dá)來(lái)自地球的指令。

環(huán)繞器本身也是一個(gè)超級(jí)科研能手，攜帶了7臺(tái)科學(xué)儀器，分別是中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星礦物光譜探測(cè)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，能在多軌道高度對(duì)火星進(jìn)行整體性、全球性、綜合性研究。

探測(cè)過(guò)程安排周密，把探測(cè)數(shù)據(jù)安全有效傳回地球也要萬(wàn)無(wú)一失?？紤]到火星距離遙遠(yuǎn)，我國(guó)在為探月工程而建的測(cè)控站之外，又新建了3臺(tái)測(cè)控站?！斑@樣可以4臺(tái)聯(lián)網(wǎng)天線組陣，測(cè)控能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)火星距地球最遠(yuǎn)4億公里時(shí)的測(cè)控通信。”中國(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰說(shuō)，這在測(cè)控技術(shù)上是很大的突破。

火星車的設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)火星月，由于火星上的一天比地球略長(zhǎng)(火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時(shí)37分鐘)，相當(dāng)于約92個(gè)地球日。按照計(jì)劃，約90個(gè)火星日后，火星車將結(jié)束巡視探測(cè)工作，環(huán)繞器也將調(diào)整軌道，進(jìn)入近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12000公里的軌道，對(duì)火星表面開展至少1個(gè)火星年(約2個(gè)地球年)的近距離遙感探測(cè)。

天問(wèn)一號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外行星著陸，推動(dòng)我國(guó)星際探測(cè)再上新臺(tái)階，無(wú)疑也是人類航天史上的一次壯舉。美國(guó)宇航局助理局長(zhǎng)托馬斯·祖爾布琴在社交媒體發(fā)文：“‘祝融號(hào)’登陸火星，恭喜中國(guó)國(guó)家航天局天問(wèn)一號(hào)團(tuán)隊(duì)！和全球科學(xué)界一起，我期待本次火星任務(wù)對(duì)人類了解這顆紅色星球作出重要貢獻(xiàn)?！?/p>

浩瀚宇宙，承載著國(guó)人千百年來(lái)的向往，也寄托著全人類的共同夢(mèng)想。千呼萬(wàn)喚始出來(lái)，我國(guó)第一輛火星車大步邁向星際探測(cè)新征程。(記者 柴雅欣)

來(lái)源：中國(guó)紀(jì)檢監(jiān)察報(bào)