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火星车工作模拟图
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天问一号成功着陆后 ， 科技人员纷纷鼓掌欢呼 。
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火星着陆模拟图
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孙泽洲
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王闯
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张玉花
天问一号火星探测器于5月15日成功软着陆火星表面 。 目前 ， “祝融号”火星车正在进行“体检” ， “体检”合格后 ， 5月22日它将驶离着陆平台 ， 开展巡视探测等工作 。 预计在5月28日 ， 巡视器与着陆器还将进行两器互拍 。 届时 ， 我们就能看到来自火星的壮美景观了 。 那这只由航天科技集团五院抓总研制的“火星蝴蝶”——中国首辆火星车“祝融号”会如何探索火星？此次登陆火星有哪些难点 ， 背后又有什么故事？昨天 ， 天问一号探测器系统总设计师孙泽洲和航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯等人向采访人员介绍了火星探测器着陆火星的惊险过程 。
文、图/广州日报全媒体采访人员 肖欢欢 通讯员 蔡金曼、杨璐
“差一秒都可能任务失败”
天问一号发射前 ， 航天科技集团五院天问一号探测器系统总设计师孙泽洲和团队在文昌发射场待了整整4个月 ， 一直到发射之后才回来 。 而天问一号着陆前这两个月 ， 他也一直在梳理整个着陆环节中可能存在的状况 ， 确保不出现漏项 。
天问一号已经是孙泽洲作为总设计师设计的第三个深空探测器 。 此前 ， 嫦娥三号和嫦娥四号也都是孙泽洲与团队的成果 。 孙泽洲这种“拉满弓”的状态 ， 从2004年嫦娥工程立项就开始了 。 也是从那年开始 ， 我国航天事业正式进入探月时代 。 而我国的月球车正是他操刀设计的 。
在得知天问一号成功着陆火星后 ， 孙泽洲和探测器系统总指挥赫荣伟紧紧拥抱在一起 。 “这是令人激动的一天 。 ”孙泽洲眼中噙着泪花说 。 他表示 ， 与月球探测任务相比 ， 火星探测不仅要面临最远4亿公里的遥远距离 ， 而且火星环境与地球环境有较大差异；此外 ， 我们没有火星大气模拟实测手段 ， 也没有经过飞行验证后的数据 ， 火星大气稀薄受季节、火星风暴等影响非常不稳定；火星表面地形复杂 ， 遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物；火星尘暴较地球更为严重……这些因素给着陆火星带来了极大难题 ， 安全着陆风险非常高 。
要想平安稳定地降落到火星表面 ， 首先面临的问题就是让高速奔驰的“天问”减速 。 超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节 ， 天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开 ， 而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题 。 “每个环节都必须确保精准无误 ， 差一秒都可能造成整个任务的失败 。 ”孙泽洲说 。
“就像自家孩子去远方旅行”
孙泽洲介绍 ， 天问一号从火星大气层外缘通过软着陆的方式降落到火星表面 ， 整个着陆过程步步惊心 ， 大致分为以下几个步骤：先是探测器瞄准进入火星大气层的一个狭窄的进入走廊 ， 接着气动减速 ， 然后火星专用降落伞展开；待降落伞完成使命后 ， 探测器抛掉大底和背罩 ， 露出着陆平台和火星车；大推力发动机开始工作 ， 探测器观察地面 ， 寻找最安全的具体着陆地点；最后四条着陆腿稳稳降落在火星表面 。 整个过程短暂却又复杂 ， 地面完全没有干预的机会 ， 完全靠“天问”自主决定各个动作执行的时机 。
孙泽洲坦言 ， 火星着陆成功 ， 谁也没有百分百的把握 ， 因为即便在地球上模拟得再像 ， 真正到了着陆火星那一刻 ， 还是有些紧张的 。 孙泽洲告诉采访人员 ， 现在他的心还没有完全放下 ， 因为“祝融号”还没开展巡视探测工作 。 在孙泽洲看来 ， 这次“祝融号”的探火之旅 ， 就像自己的孩子去远方旅行一样 ， 家长对自己孩子的自理能力很放心 ， 但心里多少又有一些牵挂 。 “因为前期设计、地面验证都没有问题 ， 天问一号升空之后整体表现也非常好 ， 我们充满信心 。 ”
孙泽洲表示 ， 我们现在探测火星的经验 ， 很大程度上是在探月的基础上积累的 ， 探月为我们的行星探测打下了很好的基础 ， 这次敢于一次任务同时实现“绕、着、巡”就是因为之前我们在月球着陆时打下的技术基础 。 但从38万公里到4亿公里 ， 这个难度级数不是在一个档次的 ， 且火星的大气由于季节的变化也存在很大的不确定性 。 “深空探测 ， 第一次总是有困难的 ， 但随着我们走的次数越多 ， 越来越远 ， 我们留在太空中的这些航天器 ， 不仅完成它们的航天任务 ， 还可以为后续任务提供中继支持、遥感数据支持等 。 ”
自主降速克服“黑色9分钟”
航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯告诉采访人员 ， 被火星成功捕获以后 ， 天问一号经过几个月的充分准备终于开启了第二阶段的着陆任务 。 火星北半球多平原 ， 南半球多山地 ， 因而此次软着陆的地点就选在火星北半球的乌托邦平原的南部 。 整个降落过程大致分为“进入——减速——软着陆” ， 简称EDL（Entry ， Descent ， Landing） 。 天问一号在进入火星大气层以后首先借助火星大气进行气动减速 ， 这个过程它克服了高温和姿态偏差 。 气动减速完成后 ， “天问”的下降速度也减掉了90%左右;紧接着“天问”打开降落伞进行减速 ， 当速度降至100米/秒时 ， 又通过反推发动机进行减速 ， 由大气减速阶段进入动力减速阶段 。 在距离火星表面100米时 ， 天问一号进入悬停阶段 ， 完成精避障和缓速下降后 ， 着陆巡视器在缓冲机构的保护下抵达火星表面 。
总的来说 ， 整个过程天问一号在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至0米/小时 。 值得一提的是 ， 虽然此前我国已有月表着陆经验 ， 但是此次火星软着陆任务更加艰难 。 一方面火星表面大气的密度是地球的1%左右 ， 比月球的环境更复杂；另一方面火星离地球距离更加遥远 ， 通信时延单程达到20分钟左右 ， 因此整个着陆过程只能靠天问一号自主完成 ， 经历“未知9分钟” ， 这9分钟也可以称为“黑色9分钟” 。
两器分离须经“惊心三部曲”
此次任务中 ， 火星环绕器由中国航天科技集团八院抓总研制 。 天问一号采取先环绕再着陆的方式 ， 主要原因是我国首次发射探测器去火星 ， 对火星表面环境及地形不是很了解 ， 需要先捕获进入环火轨道 ， 在环火停泊轨道上对着陆区进行详查 ， 确定着陆区情况后再进行着陆 。
两器分离及着陆过程是什么样的？航天科技集团八院天问一号探测器副总指挥张玉花介绍 ， 天问一号在周期为两个火星日的停泊轨道上运行 ， 在到达近火点前约6小时 ， 环绕器4台120N发动机点火约两分多钟 ， 实施降轨机动 ， 进入火星大气进入轨道 ， 之后转为两器分离姿态 ， 并执行两器分离动作 。 着陆巡视器和环绕器分离后 ， 继续沿火星大气进入轨道飞行 ， 分离后再经过3个多小时进入火星大气 ， 依靠气动减速、降落伞减速、发动机减速、悬停避障 ， 最终安全着陆在火星表面 。 环绕器则在分离半小时后进行升轨机动 ， 返回停泊轨道 。
张玉花介绍 ， 两器分离经过了“降轨、分离、升轨”三部曲 ， 可谓步步惊心 。 降轨偏差过大 ， 会影响着陆巡视器进入火星大气时的进入角、经纬度等参数 ， 最终影响着陆过程 。 若分离有问题 ， 探测器能够自主判断取消分离 ， 继续携带着陆巡视器飞行 ， 等待后续着陆机会；若分离成功 ， 但环绕器升轨近火点高度不够 ， 会有进入火星大气坠毁的风险 ， 探测器具备轨控故障自主处理能力 ， 保证升轨过程可靠执行；着陆巡视器进入火星大气至着陆到火星表面 ， 整个过程时间短动作多 ， 全部依靠探测器自主完成 。
那如何知道两器分离及着陆过程中的信息？八院技术专家介绍 ， 两器成功分离后 ， 环绕器和着陆巡视器通过UHF中继通信设备进行信息交互 ， 着陆巡视器将分离后及着陆过程中的遥测信息通过UHF中继通信发送给环绕器 ， 环绕器使用大口径高增益天线对地转发这些重要遥测数据 ， 再经过17分钟左右的无线电波远距离传输时间 ， 地面就可以收到这些重要的着陆过程信息 。
着陆之后的后续工作有哪些？张玉花说 ， 着陆巡视器安全着陆后 ， 会进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开 ， 随后火星车驶离着陆平台 ， 行驶到火星表面开展巡视探测 。 环绕器在完成着陆过程的中继通信任务后 ， 再在周期为两个火星日的停泊轨道上运行一圈 ， 之后在近火点实施变轨机动 ， 将轨道变为周期为三分之一个火星日的中继轨道 ， 这样一个火星日内 ， 环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信 ， 为后续的巡视探测任务提供指令上注和探测信息传输服务 。
即将开启火星探险
成功着陆火星 ， “绕、着、巡”的任务终于进入到最后一步 。 着陆后 ， 进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面 。 一切准备就绪后 ， 火星车将自主驶离进入舱 ， 抵达火面 ， 开始新的征程 。
探测火星不仅是工程任务的突破 ， 更是行星科学领域的突破 。 除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外 ， “天问”整体上携带了13 种科学载荷 ， 其中 7种在火星上空的环绕器上 ， 分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪；6种分布在火星车上 ， 分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机 。 它们共有五大使命 ， 主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究 ， 将给中国带来火星的第一手资料 。 其中 ， 与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据 ， 并研究火星的磁场和重力场 ， 这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候 。
登陆火星后 ， 接下来将在合适的时机释放“祝融号”火星车 。 我国积累了宝贵的探月经验 ， 但月表近乎真空 ， 而火星有大气层 ， 这会大大增加探索火星的难度 。 火星上的风速可达每秒180米 ， 这几乎是地球上特大台风风速的3倍还多 。 这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘 ， 石块 ， 形成特大沙暴 。 面对这样的情况 ， 设计师使用了一种新型材料 ， 这种材料不易沾上灰尘 ， 即使沾上也可以通过振动将其抖落 。 此外 ， 火星表面还密布着石块等障碍物 ， 这就使得火星车的驾驶需要更加地“小心翼翼” 。 以免被障碍物卡住造成操作的迟滞 。 当在火星上遇到复杂的路况时 ， 地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶 ， 确认无误后才会发出指令 。 按照计划 ， 90个火星日后 ， 火星车将结束巡视探测工作 ， 环绕器也将进行轨道调整 ， 从而开展环绕科学探测 。
【减速|“天问”帅气着陆 “祝融”开巡在即】作者：肖欢欢
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