春节普天共赏 三星齐聚荧惑

于远航

大家从2020年就高度关注的“三国同探火”，在2021年我国农历新年前后又有了新消息——3个探测器相继抵达火星。让我们来一起看看，这3位“主角”都干了哪些“惊天动地”的大事。

火星作为目前太阳系内最受人类关注的行星之一，大约每隔26个月就会发生一次“火星冲日”，火星和地球将恰好与太阳来到一条直线上，这时火星与地球的距离会达到极近值，这段时间可以使用较小的代价将探测器送往火星。因此，人类的火星探测活动通常也会每隔26个月出现一次高潮。

2020年10月就有一次“火星冲日”的机会。而为了赶上这一机会，确定的发射窗口期是7月份。回首2020年，可以说是盛况空前，阿联酋、中国、美国先后发射了自己的火星探测器。

2020年7月20日，阿联酋首个火星探测器——“ 希望号”由日本的H-2A火箭从日本种子岛宇宙中心发射升空，宣告2020年“火星季”正式开启。紧接着在2020年7月23日，中国的“天问一号”火星探测器乘坐“长征五号”运载火箭从中国文昌航天发射场升空。2020年7月30日，人类组团奔向火星的最后一位成员，美国的“毅力号”火星车在经过了地面上的些许波折之后，也终于搭上末班车，由“宇宙神5号”火箭从美国卡纳维拉尔角航天发射场发射升空，踏上了漫漫征程。

2021年，设计为环绕火星的阿联酋“希望号”，已经于2月9日进入火星轨道，进行火星天气探测、火星地图绘制工作。设计为进行火星轨道探测和着陆巡视探测的我国“天问一号”探测器，也已经于2月10日进入环绕火星的运行轨道，开展绘制火星地图、探测火星土壤组成等工作。而美国的“毅力号”火星车由于已经有了前辈的丰富经验，以及先期部署于火星轨道上的探测器的支持，会直接登陆火星，进行样本采集和暂时储存，按计划于北京时间2月19日降落在火星表面。

大家看到的“希望号”和“天问一号”进入火星轨道的精彩瞬间，却是科研人员最“提心吊胆”的几个瞬间，这是为什么呢？

从地球奔向火星，通常是在算好的窗口期，利用运载火箭加速到一定的速度，然后探测器与火箭分离，采用惯性滑行的方式，向着与火星的相遇点飞去。在惯性滑行的末端，尽管探测器感受到了强烈的火星吸引力，但由于速度依然较快，如果不做什么动作，探测器只会改变一下飞行方向，掠过火星进入宇宙深处。

因此，火星探测器进入火星引力影响范围后，需要进行关键、危险的“刹车”动作，就是将发动机喷口朝向自己飞行方向反喷减速，让自己被火星的引力“捕获”，成为环绕火星飞行的卫星。

这一动作的风险性极大，喷射角度、喷射启动时间、喷射持续时间调整不好都会造成严重的后果。速度如果减得不够多，探测器会掠过火星飘然而去;速度如果减得太多，探测器就会一头栽向火星表面，往往会超过探测器的结构强度，导致在火星大气中解体，或者一头撞上火星表面。

这样的制动减速被火星捕获的机会只有一次，并且是要求高度自主控制的。因为火星制动的位置在火星背向地球的一侧，无法进行监测。而且火星轨道距离地球太远，捕获时与地球的单向通信延时超过10分钟，探测器的地面控制人员不可能对制动过程进行实时监视，只能由其自己根据预先植入的自主工作设置，自动实施变轨和捕获操作。

在这最惊险的一刻过去之后，探测器要继续调整自己环绕火星飞行的轨道，以便对火星表面观测、与地球通信。不管是通过发动机点火机动，还是利用探测器多次穿越火星大气层、通过与火星大气的气动阻力来减速，由于探测器携带的燃料有限，因此必须精确判断和控制发动机开关时间，并保证点火的可靠性，才能顺利完成轨道调整工作。

“天问一号”于2月10号进入环绕火星的运行轨道。此时，它距离地球约1.9亿千米，飞行里程达到4.7亿千米。当“天问一号”临近火星时，需要让自己来一个“急刹车”，将相对于火星的运动速度减下来，从而让自己被火星引力捕获，成为火星的一颗卫星，进而成功实现火星探测任务的第一步，即环绕火星。

2021年5月份左右，“天问一号”将实施火星着陆。我国此次发射的火星着陆器将经过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机减速，最后展开着陆腿，缓冲着陆到火星表面。

对于“毅力号”来说，有一个更加困难的挑战需要面对，那就是登陆火星的“恐怖7分钟”。也就是说，在这7分钟内，“毅力号”必须完全依赖自主系统，准确完成登陆火星的一系列纷繁复杂的程序，才能避免在火星表面砸出一个大坑。

当天，地球和火星之间的距离为2.09亿千米，整个降落過程始于火星上方100多千米处。此时，处于保护舱中的火星车正在以20000千米的时速下落。在只有400多秒的时间里，下降系统必须将火星车着陆时的速度降至1米/秒以下。

当然，大部分减速的工作是由能够很好隔热的启动保护罩完成的。随着不断深入火星大气，隔热罩会由于大气摩擦变得越来越热，温度超过1000摄氏度。

当速度降低至1200千米/小时，21.5米宽的超音速降落伞将从保护罩后部拉出展开，工作1分钟多一点的时间，“毅力号”利用降落伞进一步减缓下降速度。

距离火星表面2千米时，火星车的下降速度会降低到100米/秒。这时“毅力号”和帮助其下降的“天空起重机”从保护罩中分离开来。随后，“天空起重机”上搭载的8枚火箭同时点火，将“毅力号”火星车悬停至着陆点上方，火星车利用尼龙绳降至火星表面。“毅力号”一旦感应自己接触到地面时，会立即切断缆绳，避免被“天空起重机”拖离安全着陆点。

值得一提的是，在火星车着陆时，无线电信号从火星抵达地球的时间大约是700秒。这就意味着，当人类收到“毅力号”发来的关于进入火星大气层的信息时，它可能已经成功降落在火星表面了。

在这有史以来人类拜访火星最为密集的时刻，我们不仅欣赏到了壮美的航天科技场景，更是从中感受到了人类携手探索宇宙的磅礴力量。此次三个国家的火星探测器齐聚火星，彻底摆脱了以往在火星探测领域美国一家独大的局面，这说明近些年来航天技术实实在在的进步和广泛传播。“一花独放不是春，百花齐放春满园”，相信随着更多的国家掌握高端航天技术，人类的航天事业将迎来越来越繁盛的明天。

（本文摘编自《中国航天报》飞天科普周刊）