IT之家 5 月 16 日消息 我國(guó)“祝融號(hào)”火星車昨日確認(rèn)天問(wèn)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)，宣示我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。

據(jù)央視報(bào)道，到目前為止，人類進(jìn)行的火星探測(cè)任務(wù)成功率只有 50% 左右，這其中大部分都是失敗在了著陸火星階段。

IT之家了解到，天問(wèn)一號(hào)從進(jìn)入火星大氣到最終著陸成功，大約經(jīng)歷了 9 分鐘的時(shí)間，考慮到天問(wèn)一號(hào)與控制中心距離遙遠(yuǎn)，通訊延遲甚至達(dá)到 18 分鐘之久。毋庸置疑，天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器著陸火星可以說(shuō)是闖過(guò)了重重難關(guān)。

央視昨日請(qǐng)到了相關(guān)領(lǐng)域的專家為大家進(jìn)行講解，并通過(guò)動(dòng)畫向大家展示了天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器是如何在這短短幾分鐘內(nèi)將速度從每小時(shí)近 2 萬(wàn)公里的狀態(tài)降低到零，并且安然著陸的過(guò)程。

▲圖源：中國(guó)探月工程

1．環(huán)火 3 個(gè)月

5 月 15 日凌晨 4 時(shí)許，火星上空，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)中的“兩兄弟”在做最后的告別 —— 相伴 295 天后，環(huán)繞器和承載著祝融號(hào)火星車的著陸巡視器正式分離。

隨后，環(huán)繞器抬升自己軌道，迎來(lái)新的使命 —— 為火星和地球之間架起通信橋梁。

此時(shí)，著陸巡視器獨(dú)自上路，它調(diào)整姿態(tài)，防熱大底朝前，沿著進(jìn)入火星大氣層的軌道滑行，瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的狹窄“走廊”。3 小時(shí)后，它進(jìn)入火星大氣，迎來(lái)整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)的驚心動(dòng)魄時(shí)刻。

“天問(wèn)一號(hào)”距離家鄉(xiāng) 3.2 億公里，是走得最遠(yuǎn)的中國(guó)遠(yuǎn)行客。去年 7 月 23 日，它從海南文昌啟程，迄今已跋涉 295 天。

今年 2 月 24 日，它踩下了“史上最難”的太空剎車 —— 通過(guò) 3 次近火制動(dòng)，成功進(jìn)入火星軌道，順利飛抵火星。在火星上空踩下的這幾腳剎車，分寸有多難拿捏？正如科學(xué)家比喻的那樣，就像從巴黎打出一個(gè)高爾夫球，讓它落進(jìn)東京的某個(gè)球洞里。

到達(dá)火星上空后，“天問(wèn)一號(hào)”沒(méi)有立即降落，而是環(huán)火飛行數(shù)月。中國(guó)首次探測(cè)火星，最重要的是妥妥成功，因此，“天問(wèn)一號(hào)”選擇了最穩(wěn)妥的模式 ——“先繞后落”。

在近 3 個(gè)月時(shí)間里，“天問(wèn)一號(hào)”在火星停泊軌道上“兜圈”式飛掠，不停地鳥瞰著陸點(diǎn) —— 烏托邦平原。它借助攜帶的相機(jī)和光譜儀，看清了火星的地形地貌，監(jiān)測(cè)到了火星沙塵暴的當(dāng)季動(dòng)向，也看到了著陸地區(qū)的坡度、凹坑等。

科研人員根據(jù)觀察到的最新情況，不停地完善火星著陸方案，避開惡劣的火星天氣，選擇一個(gè)“風(fēng)和日麗”的日子實(shí)施火星著陸計(jì)劃。

2. 自主闖險(xiǎn)關(guān)

火星著陸素有“黑色 7 分鐘”的說(shuō)法，最早起源于美國(guó)火星探測(cè)任務(wù)，揭示著陸過(guò)程的險(xiǎn)象環(huán)生，具體耗時(shí)卻不盡相同。中國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)中，探測(cè)器從進(jìn)入大氣到著陸火星，全程預(yù)計(jì) 9 分鐘。

火星稀薄的大氣屏障曾讓數(shù)個(gè)人類探測(cè)器殞命。一頭扎進(jìn)不可知的大氣環(huán)境，是世界一半以上火星探測(cè)器著陸失敗的主要原因?！疤靻?wèn)一號(hào)”在贏得榮譽(yù)前，先要經(jīng)受世所罕見的殘酷考驗(yàn)。主要是因?yàn)榛鹦谴髿猸h(huán)境的特殊性?；鹦怯幸粚酉”〉拇髿?，這使得火星著陸與登陸月球相比，不能僅采用動(dòng)力反推的方式，還需增加氣動(dòng)減速和傘系減速等環(huán)節(jié)，因而著陸控制更為復(fù)雜。雖然地球也有大氣層，卻與火星不同?；鹦潜砻娴娘L(fēng)沙和塵暴，會(huì)對(duì)著陸火星產(chǎn)生致命干擾。

另一個(gè)難點(diǎn)在于，當(dāng)火星探測(cè)進(jìn)行到著陸最為兇險(xiǎn)的一步時(shí)，探測(cè)器與地球?qū)⒍虝骸笆?lián)”?；鹦翘綔y(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖介紹，首先，探測(cè)器高速再入時(shí)和稀薄大氣積壓產(chǎn)生擊波，形成等離子鞘層，導(dǎo)致通信中斷；其次，因?yàn)榛鸬鼐嚯x 3.2 億公里，無(wú)線電信號(hào)一來(lái)一回要 35 分鐘左右，著陸過(guò)程卻只有短短幾分鐘，你我根本來(lái)不及干預(yù)。

3. 兩萬(wàn)公里到零的降速

7 時(shí)許，天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器飛向火星大氣層，“驚心動(dòng)魄 9 分鐘”拉開序幕。此前人類 21 次嘗試著陸火星，美國(guó)取得 8 次成功，蘇聯(lián)火星三號(hào)著陸 20 秒后失聯(lián)，其他嘗試均告失敗?，F(xiàn)在，中國(guó)隊(duì)來(lái)到賽道。

著陸巡視器快速?zèng)_向火星，時(shí)速高達(dá) 2 萬(wàn)公里，約為“和諧號(hào)”高鐵時(shí)速的 70 倍。從火星上空到達(dá)火星表面，總共不到 10 分鐘，如何在這么短時(shí)間里把速度從 2 萬(wàn)公里降到零？火星著陸的終極手段是降速。

“天問(wèn)一號(hào)”任務(wù)火星著陸共分為 4 個(gè)階段：氣動(dòng)減速段、傘系減速段、動(dòng)力減速段、懸停避障與緩速下降段?！盎鹦侵戇^(guò)程復(fù)雜、動(dòng)作繁多，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心，一招出錯(cuò)、全盤皆輸?！惫⒀哉f(shuō)。

第一階段為氣動(dòng)減速段，火星既有的稀薄大氣與進(jìn)入艙產(chǎn)生摩擦實(shí)現(xiàn)減速。著陸巡視器被裝在進(jìn)入艙中，進(jìn)入艙分為背罩和大底，大底是一個(gè)盾形結(jié)構(gòu)，飛入大氣層時(shí)，大底斜向下對(duì)抗沖擊和燒蝕。航天科技集團(tuán)的研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量風(fēng)洞試驗(yàn)，從積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開始，最終完成了進(jìn)入艙氣動(dòng)外形和熱防護(hù)的研究、設(shè)計(jì)。

氣動(dòng)減速階段有一個(gè)環(huán)節(jié)是展開配平翼，目的是減少探測(cè)器的晃動(dòng)，給后續(xù)打開降落傘創(chuàng)造更好條件。

氣動(dòng)減速過(guò)程克服了高溫和姿態(tài)偏差，約 5 分鐘減速后，著陸巡視器的下降速度也減掉了 90% 左右，降到每秒約 460 米。這時(shí)，著陸巡視器距離火星表面約 11 公里，著陸進(jìn)入第二階段 —— 傘系減速段。

航天科技集團(tuán)五院 508 所總工程師黃偉介紹，著陸火星，我國(guó)要首次在超聲速、低密度、低動(dòng)壓的條件下開傘，以往航天器的降落傘不適合在火星使用，要么是不能在超聲速下完成對(duì)降落傘的穩(wěn)定充氣，要么是不能滿足低密度低動(dòng)壓條件下的穩(wěn)定性需求。

針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)，降落傘設(shè)計(jì)師首次設(shè)計(jì)使用了鋸齒形盤縫帶傘型，并采用了新研制的特紡材料，創(chuàng)新了傘繩插接工藝，提高了降落傘的強(qiáng)度與可靠性。

隨著紅白色巨型降落傘的展開，著陸巡視器下降變得更慢，隨后進(jìn)入艙的大底拋開，承載著祝融號(hào)火星車的著陸平臺(tái)率先與火星打了照面。

4．“祝融”穩(wěn)落火星

降落傘把速度降到每秒約 95 米，著陸巡視器距離火星表面 1-2 公里，此時(shí)，降落傘攜帶進(jìn)入艙的背罩與著陸巡視器分離?！白Ｈ凇甭冻鲱^來(lái)，呼吸到了火星上的新鮮大氣。

但降落還沒(méi)有停止，驚心動(dòng)魄時(shí)刻并未結(jié)束，此時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)開始擔(dān)綱主力，火星著陸進(jìn)入第三個(gè)階段 —— 動(dòng)力減速段。

天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器推進(jìn)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師韓泉東介紹，著陸巡視器上配置了 1 臺(tái) 7500 牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)和 26 臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。在多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下，著陸下降速度從每秒約 95 米降至每秒約 1.5 米。

距離火星表面 100 米時(shí)，著陸巡視器懸停下來(lái)，但還不是休息的時(shí)候，火星著陸過(guò)程進(jìn)入到最后一個(gè)階段 —— 懸停避障與緩速下降段。

人類探索火星的減速方式大致相似，但到了最后一步，距離火星咫尺之遙時(shí)，方式開始多樣起來(lái)。綜觀以往，最后一步大致可分為氣囊彈跳式、反推著陸腿式和空中吊車式。

天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器采用的是反推著陸腿式在火星表面軟著陸，這同我國(guó)探月工程嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)著陸月面的方式類似。懸停在空中后，著陸巡視器搭載的微波測(cè)距測(cè)速敏感器、光學(xué)相機(jī)等 6 臺(tái)儀器都同時(shí)開啟，對(duì)火星表面進(jìn)行觀察和分析，判斷出火星表面哪里更平整，在哪里“落腳”更安全。

7 時(shí) 18 分，4 條著陸腿與火星表面第一次親密接觸。觸地后，帶有緩沖裝置的 4 條著陸腿有效抵擋了著陸瞬間的沖擊力，在與推進(jìn)系統(tǒng)共同作用下，重 1.3 噸的著陸巡視器穩(wěn)穩(wěn)地落在火星烏托邦平原南部的預(yù)定著陸區(qū)域。

闖過(guò)“驚心動(dòng)魄 9 分鐘”，中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器平安抵達(dá)火星表面。從上空俯瞰，“祝融號(hào)”像一只展翅的大鵬，不日，它將駛下著陸平臺(tái)，在火星表面軋下第一道“中國(guó)印”。

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