天問一號(hào)：火星開門吧，我到啦！
作者：郭超凱
北京時(shí)間5月15日，天問一號(hào)著陸巡視器穩(wěn)穩(wěn)地降落在預(yù)選著陸區(qū)——火星北半球的烏托邦平原，中國首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功。
天問一號(hào)探測(cè)器于2020年7月23日發(fā)射，在今年2月到達(dá)火星，成功被火星捕獲。經(jīng)過3個(gè)月的養(yǎng)精蓄銳，天問一號(hào)已在近日實(shí)施降軌，完成著陸巡視器與環(huán)繞器分離。在成功軟著陸于火星表面后，不久中國首輛火星車“祝融號(hào)”也將駛離著陸平臺(tái)，開展巡視探測(cè)等工作。
此次天問一號(hào)登陸火星有什么難點(diǎn)？“祝融號(hào)”火星車會(huì)以何種方式探索火星？背后又有什么故事呢？
著陸火星經(jīng)歷“黑色九分鐘”
被火星成功捕獲以后，天問一號(hào)經(jīng)過幾個(gè)月的充分準(zhǔn)備，終于開啟了第二階段任務(wù)——“著陸”�；鹦堑谋卑肭蚨嗥皆�，南半球多山地，因此此次天問一號(hào)著陸巡視器軟著陸火星的地點(diǎn)，就選擇在火星北半球的烏托邦平原南部。
整個(gè)降落過程大致分為進(jìn)入——減速——軟著陸三步，簡(jiǎn)稱為EDL(Entry， Descent，Landing)。據(jù)中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星探測(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖介紹，天問一號(hào)在進(jìn)入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進(jìn)行氣動(dòng)減速，這個(gè)過程它克服了高溫和姿態(tài)偏差。氣動(dòng)減速完成后，天問一號(hào)的下降速度也減掉90%左右。
“緊接著天問一號(hào)打開降落傘進(jìn)行傘系減速，當(dāng)速度降至100m/s時(shí)，天問一號(hào)通過反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，由大氣減速階段進(jìn)入動(dòng)力減速階段�！蓖蹶J介紹，在距離火星表面100米時(shí)，天問一號(hào)進(jìn)入懸停階段，完成避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)的保護(hù)下，抵達(dá)火星表面�？偟膩碚f，整個(gè)過程天問一號(hào)要在9分鐘內(nèi)從約2萬千米/小時(shí)的速度降至到0米/小時(shí)。
值得一提的是，雖然此前中國已有月表著陸經(jīng)驗(yàn)，但此次天問一號(hào)火星軟著陸任務(wù)更加艱難。一方面火星表面存在大氣(火星表面大氣的密度是地球表面大氣密度的1%左右)，火星環(huán)境比月球更復(fù)雜；另一方面火星離地球距離更加遙遠(yuǎn)，通信時(shí)延單程達(dá)到20分鐘左右，因此在整個(gè)著陸過程，相距遙遠(yuǎn)的地球科學(xué)家們來不及做任何處置，只能靠天問一號(hào)自主完成這“黑色九分鐘”。
13個(gè)載荷助天問一號(hào)探索火星
成功著陸后，天問一號(hào)“繞”“著”“巡”的串聯(lián)任務(wù)終于進(jìn)行到最后一步。著陸后，天問一號(hào)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(hào)”火星車先后完成坡道及太陽翼天線展開，“祝融號(hào)”火星車將在第一時(shí)間將成功展開的消息傳回地面。一切準(zhǔn)備就緒后，火星車將自主駛離進(jìn)入艙，抵達(dá)火面，開始新的征程。
探測(cè)火星不僅是工程任務(wù)的突破，更是行星科學(xué)領(lǐng)域的突破。除了常規(guī)的通信、能源(太陽能帆板)、支撐結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)等部分外，天問一號(hào)整體上攜帶了13個(gè)科學(xué)載荷，其中7個(gè)在火星上空的環(huán)繞器上，6個(gè)分布在火星車上。
據(jù)介紹，天問一號(hào)環(huán)繞器搭載的7個(gè)科學(xué)載荷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。而6個(gè)分布在火星車上的科學(xué)載荷，則分別為多光譜相機(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、地形相機(jī)。
據(jù)專家介紹，這些科學(xué)載荷有著五大使命，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，將給中國帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關(guān)的研究項(xiàng)目將收集有關(guān)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(chǎng)和重力場(chǎng)，這些也將解答大眾的好奇，如火星究竟是什么樣的氣候。
“祝融號(hào)”如何“荒野求生”？
此前，中國首次火星探測(cè)任務(wù)總設(shè)計(jì)師張榮橋曾對(duì)外公布“祝融號(hào)”火星車的配置細(xì)節(jié)：火星車質(zhì)量約240公斤，為6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，攜帶6臺(tái)載荷，其太陽翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地將“祝融號(hào)”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(hào)”火星車必須足夠強(qiáng)大，努力“活下來”。中國曾數(shù)次造訪月球，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。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(cè)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(shí)上，火星上的風(fēng)速可達(dá)每秒180米，這幾乎是地球上特大臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的三倍多。這如野獸般兇暴的烈風(fēng)會(huì)掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴。讓“祝融號(hào)”火星車的“眼睛”蒙塵，“翅膀”不再靈活。面對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)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(dòng)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(shè)計(jì)師們也想出了應(yīng)對(duì)之策。在中國航天科技集團(tuán)五院的實(shí)驗(yàn)室中，有一臺(tái)與“祝融號(hào)”一模一樣的火星車。當(dāng)“祝融號(hào)”在火星上遇到復(fù)雜路況時(shí)，地球上的火星車將對(duì)火星路況進(jìn)行模擬行駛，確認(rèn)無誤后才會(huì)發(fā)出指令。
按照計(jì)劃，在緊張工作90個(gè)火星日后，“祝融號(hào)”火星車將結(jié)束巡視探測(cè)工作，天問一號(hào)環(huán)繞器也將進(jìn)行軌道調(diào)整，從而開展環(huán)繞科學(xué)探測(cè)。
“一只南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。”曾有學(xué)者用上述語言形容“蝴蝶效應(yīng)”。如今，“祝融號(hào)”這只全球矚目的“火星蝴蝶”已成功著陸火星，后續(xù)又會(huì)帶給我們什么意外驚喜，讓我們一起拭目以待吧。
