“祝融号”火星车成功着陆的秘密

文／庞之浩

5月15日7时18分，“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，迈出了我国星际探测征程的重要一步，实现了从地月系到行星际的跨越，红色火星首次有了中国印迹。

“天问一号”在今年2月10日进入火星轨道后，环绕三个月后才在火星表面着陆，其最主要的目的是为着陆做准备。因为我国是第一次探测火星，需要对预定的着陆区域乌托邦平原进行详细探测，以便着陆巡视器安全着陆。

环绕“侦察”三个月才落“火”

当“天问一号”经过预定着陆区上空时，会利用中分辨率相机、高分辨率相机和光谱仪等载荷设备对预选定着陆区进行详查，主要探测预选着陆区的地形、地质、地貌以及是否存在沙尘暴等环境条件，为着陆巡视器的安全着陆做好准备工作。

另外，要选择一个比较好的气象环境时期着陆，规避恶劣天气对着陆巡视器着陆火星的影响。根据常年的统计，每年火星的五六月间，沙尘暴爆发历史上很少有记录，而且这个时期温度也比较高。

安全度过“恐怖9分钟”

探测火星最难的就是在火星表面着陆，要经历“恐怖的7～9分钟”。因为火星距离地球遥远，着陆时达3亿多公里，所以测控信号十分微弱，且信号单向延时就达18分钟左右，地面无法实时控制着陆过程，需提前给探测器注入数据，由着陆器巡视器自主完成着陆。另外，当探测器运动到火星背面时，确定其轨道参数较难，给探测器再入高度的选择带来困难。

“天问一号”着陆巡视器在着陆过程中，要经历进入、下降和着陆三个阶段，用9分钟内自主完成姿态调整、气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降等10多个动作，每个动作都是一气呵成，容不得有半分的差错，所以在火星着陆过程复杂、动作繁多，环环相扣、步步惊心，一招出错、全盘皆输。有人形容在火星着陆的难度相当于在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里。

在整个落“火”过程中，由于地火距离非常遥远，使得地火通信延时单程超过20分钟左右。在落“火”过程中着陆巡视器和地面“指挥部”处于“失联”状态。

着陆过程步步惊心

“天问一号”着陆巡视器着陆分七步。

一是降轨。首先，“天问一号”在15日凌晨1时许降轨机动，机动至火星进入轨道。

二是分离。4时许，“天问一号”实现环绕器和着陆巡视器的分离。两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，再变轨至中继轨道，为着陆巡视器提供中继通信。环绕器升轨的同时，实时拍摄监测着陆巡视器的下降过程。

经历约3小时飞行后，着陆巡视器在距离火星表面约125公里处进入火星大气。这时着陆巡视器调整姿态，防热大底朝前，沿着进入火星大气的轨道滑行，瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊，着陆巡视器与火星大气层形成的这一夹角非常关键，角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈而烧毁，角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。

三是气动减速。此后，着陆巡视器进入气动减速段，这是最主要的减速阶段。进入火星大气时，着陆巡视器的速度可达每秒4.8千米，相当于子弹出膛速度的6倍。进入火星大气后，要进行升力体制导和展开配平翼，通过陆巡视器防热大底和火星大气的不断摩擦来减速。经5分钟的减速之后，着陆巡视器的速度下降到每秒460米。

我国首次采用了基于配平翼的弹道-升力式进入方案，降低了火星大气参数不确定性带来的着陆风险，提高了探测器的适应能力。在气动减速阶段展开配平翼，目的是减少探测器的晃动，给后续打开降落伞创造更好的条件。

四是伞降减速。在着陆巡视器距离火星约11公里时，打开携带的超音速降落伞，使着陆巡视器的速度下降到每秒100米以下。在这90秒时间里，火星大气层中风的速度和方向，对落“火”的精度影响很大，有些时候甚至影响落“火”安全。

着陆巡视器降落时首次使用了超音速锯齿形盘缝带伞，采用了一顶主降落伞、一次性充气展开减速的方案。伞的顶部是盘，接着有一圈缝，下面是带，带的尾部做成了锯齿形，有利于承力和确保稳定性。首次使用了一些新研制的特纺材料，并在伞绳连接等环节首次使用了插接工艺，相比缝纫工艺连接强度显著改善。

五是动力减速。当着陆巡视器的速度降至100米/秒时，降落伞基本完成使命，此后把大底和背罩抛掉，露出着陆平台和火星车。平台上的7500牛变推力降落发动机开始点火工作，进一步减小着陆巡视器的下降速度。它用80秒把速度减小到3.6米/秒，同时保持姿态稳定，对地雷达随机开机，并展开着陆缓冲机构的4条着陆腿。

六是悬停避障、缓速下降。着陆巡视器在距离火星高度100米的时候，借助降落发动机进行悬停，同时对火面进行成像，然后挑选相对平坦的区域进行降落。

七是着陆缓冲。在最后的落“火”瞬间，垂直速度小于3.6米/秒，水平速度小于0.9米/秒，它利用4条着陆腿里的缓冲吸能材料，把着陆时的冲击力缓冲掉，确保着陆巡视器平稳着陆在火星表面。

“祝融号”火星车采用了哪些黑科技？

“天问一号”着陆巡视器登陆火星后，“祝融号”火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检等，然后驶离着陆平台并开展巡视探测。

为了保证“祝融号”在复杂的火星环境中顺利完成预定任务，采用了不少新技术。

“祝融号”火星车采用了一种新型隔热保温材料——高性能纳米气凝胶，它用于应对“极热”和“极寒”两种严酷环境，并且密度可以做到比空气还轻，极大地减小了火星车的负担。它可阻隔火星表面低至-120℃的极寒环境，也能阻隔着陆发动机产生高达1200℃的高温热流，保护着陆平台的正常功能。

“祝融号”火星车除装有太阳电池板外，在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备，叫作集热窗，它可以直接吸收太阳能，然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天，火星温度升高，这种物质吸热融化；到了晚上温度下降，这种物质在凝固的过程中释放热能，效率可以达到80%以上。

针对火星地形复杂，既有松软的沙地，又有密集分布的石块，为了提高火星车的通过能力，我国打造出人类第一辆主动悬架火星车。它在遇到复杂地形时可以把整车底盘提高，便于越过障碍。使用六轮转向之后，火星车还可以蟹行运动，即可以实现横着走。

“祝融号”火星车还能根据火星表面环境状况，阳光是否充足，采用不同的工作模式。例如，阳光最好的午后，可以采用正常工作模式，并存贮一些电；阳光不好时，或有沙尘暴时，可减少一些工作设备；阳光很差时，或进入夜晚后可进入安全模式。

历史上火星探测取得了哪些重大成果？

近20年来，探测火星取得了多项成果。研究发现，火星是一颗老年期的行星，曾有足够的内部热能、地质构造活动强烈、具有全球性内禀偶极子磁场、岩浆—火山作用活跃，形成了太阳系最高的火山山峰（奥林帕斯山）和太阳系最长的峡谷（水手大峡谷）。

火星曾有比现在浓密得多的大气层，表面存在过液态水，火星表面观测到干凅的水系、湖泊和海洋盆地，火星有过适宜生命繁衍的环境，并可能蕴育过生命。

火星存在小天体撞击形成巨大撞击坑和洪水冲刷的痕迹。现今的火星表面是干旱、寒冷的世界，没有液态水，大气成分以二氧化碳为主，大气稀薄，小于1%大气压，沙尘暴肆虐。

目前，全球内禀偶极磁场已消失，成为区域性的多极子弱磁场；构造和岩浆活动已基本停息，水体可能转入地下。