圖表資料來源：中國航天科技集團(tuán)五院、中國航天報

看天問一號著陸火星

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(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！

自去年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，是我國航天事業(yè)發(fā)展中又一個具有重大意義的里程碑。

　　看點①

　　從“奔火”到“探火”，天問一號要闖六道關(guān)

由于地球與火星之間距離迢迢，天問一號探火的旅程可謂征途漫漫。

從工程設(shè)計來看，我國首次火星探測任務(wù)過程包括發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、停泊段、離軌著陸段和科學(xué)探測等6個階段。

2020年7月23日，天問一號在文昌航天發(fā)射場飛向遙遠(yuǎn)深空。按照預(yù)先設(shè)計的精準(zhǔn)軌道，天問一號在浩渺無垠的太空中飛行了202天，飛行里程約4.75億千米，其間實施了1次深空機(jī)動和4次中途修正，終于在2021年2月10日成功實施火星捕獲，從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道。

2月10日19時52分，天問一號探測器成功實施火星捕獲，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實現(xiàn)“繞、著、巡”目標(biāo)的第一步。

進(jìn)入火星軌道后，天問一號探測器經(jīng)過幾次調(diào)整，于2月24日成功實施第三次近火制動，進(jìn)入火星停泊軌道，開展了為期約3個月的環(huán)繞探測。

為什么在軌探測這么久？專家介紹，天問一號探測器在火星停泊軌道運(yùn)行，繞火期間一次次從首選著陸點烏托邦平原上空掠過。經(jīng)過預(yù)定著陸區(qū)上空時，天問一號會利用中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、光譜儀等載荷設(shè)備對預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行詳查，主要探測預(yù)定著陸區(qū)的地形、地貌以及是否存在沙塵天氣等，為著陸巡視器安全著陸做好準(zhǔn)備。

“我們之前并沒有去過火星，也不掌握一手資料，因此這些數(shù)據(jù)的收集非常重要。”中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計部火星探測器總體主任設(shè)計師王闖表示。

　　看點②

　　登陸是火星探測最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要面臨三大難點

此前不少媒體在報道天問一號著陸的過程中，使用了“黑色7分鐘”的說法。對此，國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言解釋，“7分鐘只是個約數(shù)，我國此次著陸過程設(shè)計時長為9分鐘。這是因為天問一號在實施火星捕獲時已有減速動作，工程設(shè)計上是先環(huán)繞、再進(jìn)入，因此速度相對其他國家低一些，工程設(shè)計情況和進(jìn)入速度不同，所需時間也不太相同�！�

但是，無論是7分鐘還是9分鐘，“進(jìn)入、下降、著陸”這一階段都是火星探測最關(guān)鍵和核心的環(huán)節(jié)。此前一些失敗的火星探測任務(wù)，大多是在這一過程中“折戟”失利。

登陸火星面臨三大難點：

首先是火星環(huán)境的不確知性，增加了著陸的不確定性�；鹦潜砻嬗幸粚酉”〉拇髿�，與月球和地球的環(huán)境截然不同�！霸虑驔]有大氣，著陸過程完全靠反推發(fā)動機(jī)減速，干擾因素少；對于地球的大氣環(huán)境，我們也有深入認(rèn)識。但我們對火星環(huán)境的了解非常有限，也沒有經(jīng)過飛行驗證后的數(shù)據(jù)，火星大氣稀薄且受季節(jié)、夜晝、火星風(fēng)暴等影響非常不穩(wěn)定；火星表面地形復(fù)雜，遍布巖石、斜坡、溝壑等障礙物；火星塵暴也較地球更為嚴(yán)重。這些都會帶來很大風(fēng)險。”耿言分析。

其次，著陸過程較為復(fù)雜，短時間內(nèi)完成多個動作，不容半分差錯。中國航天科技集團(tuán)五院天問一號探測器總設(shè)計師孫澤洲表示：“這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發(fā)動機(jī)、著陸緩沖等多項技術(shù)才能實施軟著陸。每個環(huán)節(jié)都必須確保精準(zhǔn)無誤，差一秒都可能造成整個任務(wù)的失敗。”

第三，距離遙遠(yuǎn)，只能靠著陸巡視器全程自主控制。“著陸時，火星和地球的距離達(dá)到3.2億千米，無線電信號一來一往大約35分鐘，地面不可能直接遙控，所有動作觸發(fā)條件的測量、判斷，所有動作的執(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，均是自主測量、自主判斷、自主控制�！惫⒀员硎尽�

　　看點③

　　驚心動魄的9分鐘，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心

面臨如此艱巨的挑戰(zhàn)，天問一號又是如何漂亮利索地完成整個過程的？

5月15日凌晨1時許，天問一號探測器在火星停泊軌道實施降軌，機(jī)動至火星進(jìn)入軌道。隨后，環(huán)繞器與著陸巡視器開始器器分離，繼而環(huán)繞器升軌返回停泊軌道，著陸巡視器運(yùn)行到距離火星表面125千米高度的進(jìn)入點，開始進(jìn)入火星大氣。

天問一號的降落過程歷時約9分鐘，大致分為氣動減速段、降落傘減速段和動力減速段。9分鐘內(nèi)，著陸巡視器要完成10多個動作，每個動作都要一氣呵成，而且只有一次機(jī)會，可以說是環(huán)環(huán)相扣、步步驚心。

王闖告訴記者，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�！斑@個過程中克服了高溫和姿態(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，主要有降落傘展開、拋大底、拋傘拋背罩幾個步驟。“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，這個過程存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定等問題�！蓖蹶J介紹，“火星大氣非常稀薄，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。”

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。在距離火星地表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。

孫澤洲表示，火星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�？蒲腥藛T還在國際上首次采用了基于配平翼的彈道—升力式進(jìn)入方案，以降低火星大氣參數(shù)不確定性帶來的風(fēng)險，提高適應(yīng)能力。

　　看點④

　　著陸區(qū)選擇兼顧工程與科學(xué)目標(biāo)，成果產(chǎn)出值得期待

天問一號著陸巡視器平穩(wěn)著陸，著陸地點為什么要選擇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，坑洼不平，因此國際上有著陸計劃的火星探測任務(wù)，大多數(shù)選擇著陸在北半球。”耿言介紹，基于工程實現(xiàn)“安全著陸與巡視”的要求，科研人員識別了高度、坡度、巖石、風(fēng)速、塵土、能源等約束要素，在要求的北緯5度—30度區(qū)間內(nèi)，選了兩個區(qū)域�！笆紫仁窍Ｍ�海拔高度低一點，這樣著陸過程長一點，探測器更從容一些。其次是希望地勢平緩，石塊分布盡可能少一點，風(fēng)速也盡可能小一點，要盡量避開沙塵暴。另外，要選擇白天降落，保證著陸后太陽能帆板打開，順利獲取能源保障�！�

烏托邦平原南部預(yù)定區(qū)域，位于古海洋和古陸地的交界處，科學(xué)家認(rèn)為該地方有很高科學(xué)價值，很有可能會取得意想不到的科學(xué)成果。此外，預(yù)選著陸區(qū)位于埃律西昂火山西面，存在與火山活動和演化有關(guān)的科學(xué)問題。

　　看點⑤

　　“祝融號”火星車，將在火星展開巡視探測

火星探測是一項科學(xué)探索性強(qiáng)的工程，到達(dá)火星后獲取有效的科學(xué)探測數(shù)據(jù)對于科學(xué)研究來說非常重要。

天問一號成功著陸后，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，火星車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，火星車將自主駛離著陸平臺，抵達(dá)火星，開始新的征程。

“祝融號”以3天為一個工作周期。受到火星苛刻的環(huán)境影響，火星車每次只能“工作”一兩個小時，工作內(nèi)容主要包括環(huán)境感知、科學(xué)探測、數(shù)據(jù)下傳等。

火星車上搭載了6臺載荷，分別是多光譜相機(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)。它們共有五大使命，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，將帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關(guān)的研究項目將收集溫度、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。

如果只看圖片，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。但火星上的風(fēng)速可達(dá)180米/秒，幾乎是地球上特大臺風(fēng)風(fēng)速的3倍還多。強(qiáng)烈的風(fēng)速會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴，對火星車的生存造成嚴(yán)峻考驗。面對這樣的情況，設(shè)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，火星車的行駛需要更加“小心翼翼”。王闖透露，在航天五院的實驗室中，有一臺一模一樣的火星車。當(dāng)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。

天問一號是我國“行星探測重大工程”整體規(guī)劃中的第一次任務(wù)，后續(xù)還規(guī)劃了小行星探測、火星取樣返回、木星系及行星穿越探測。

未來的深空探測，更加值得期待。

　　鏈接

　　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，包括去年7月我國、阿拉伯聯(lián)合酋長國以及美國實施的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(wù)的成功率卻一直不高。目前實施的47次火星探測任務(wù)中，25次成功或部分成功。而火星著陸任務(wù)風(fēng)險更高，22次著陸任務(wù)（著陸火星19次、著陸火星衛(wèi)星3次），只有10次取得成功，成功率為45%，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。火星的一天是24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(shù)手段，火星探測相對于其他的行星探測，也更容易實現(xiàn)。

中國首次火星探測任務(wù)工程總設(shè)計師張榮橋表示，天問一號是我國行星探測的起點，通過這次任務(wù)的實施，在火星使命牽引下的新一輪創(chuàng)新，對實現(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。

（本報記者 馮 華采訪整理）

《 人民日報 》（ 2021年05月16日 第 02 版）