中国首次火星探测任务着陆火星成功

2021-07-09

人民画报 2021年6期

2021年5月19日，国家航天局发布“天问一号”落火影像。该图由导航相机拍摄，镜头指向火星车尾部。图中可见火星车太阳翼、天线展开正常到位;火星表面纹理清晰，地貌信息丰富。

北京时间2021年5月15日7时18分，“天问一号”探测器成功实现火星表面软着陆的消息从遥远的火星表面传来，中国首次火星探测任务着陆火星圆满成功。

当日，习近平总书记向首次火星探测任务指挥部并参加任务的全体同志致以热烈的祝贺和诚挚的问候，习近平在贺电中指出，“天问一号”探测器着陆火星，迈出了中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，在火星上首次留下中国人的印迹，这是中国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

自2020年7月23日在文昌航天发射场启程，“天问一号”经历近7个月的“奔火”之旅和3个月的“环火”探测，“登火”成功，并开展巡视探测。通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视探测三大目标，这在世界航天史上尚属首次。火星探测属于高风险航天任务，中国突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术，迈出了星际探测征程中的重要一步，是中国航天事业发展中又一个具有重大意义的里程碑事件。

在奔赴火星到成功降落的征途中，“天问一号”需要经过发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段六个飞行阶段。其中，着陆是火星探测任务难度最高、风险最大的一步。

着陆火星表面有三大难点：

一是環境不确知，不确定性大。火星有稀薄的大气层，与月球和地球的环境截然不同。月球没有大气，着陆过程完全靠反推发动机点火减速，着陆过程干扰因素少。我们对地球的大气环境有较深入的认识，航天器从空间返回地球的设计依据比较明确，也比较充分。火星着陆的减速主要通过进入舱的气动外形结构和降落伞与大气作用进行减速，而我们对火星大气的了解非常有限，同时火星大气又十分不稳定，有风、有沙尘暴，这些天气的出现是随机的，存在很大的不确定性，这样十分重要，但不确知、不确定的条件会给火星着陆带来很大风险。

二是着陆的过程较为复杂，充满挑战，需要在短时间内完成多个动作，不允许半点差错。中国航天科技集团五院“天问一号”探测器总设计师孙泽洲表示：“这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、着陆缓冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须确保精准无误，稍有失误都可能造成整个任务的失败。”

三是地面无法干预，全程自主控制。着陆时，火星和地球的距离达到3.2亿千米，无线电信号一来一往大约35分钟，地面不可能直接遥控，所有动作触发条件的测量、判断，所有动作的执行，包括最后阶段通过拍摄着陆区的图像并选择满足条件的着陆点，都要探测器自主完成。

回顾“奔火”之路

2020年4月24日，中国首次火星探测任务低调研发数年之后，于中国航天日正式获得命名——“天问一号”。

2021年2月10日，“天问一号”在浩渺无垠的太空中飞行了202天，行程4.75亿千米后，与火星交会，成功实施火星捕获，从地火转移轨道进入到环火轨道。

2021年5月15日，“天问一号”探测器成功实现火星表面软着陆。

2020年7月23日，长征五号遥四火箭托举“天问一号”加速到超过11.2千米/秒的第二宇宙速度，之后完成分离，直接将探测器送入地火转移轨道，奔向火星。

2021年2月24日，“天问一号”探测器进入火星停泊轨道，开展为期约3个月的环绕探测。

2021年5月17日，“天问一号”环绕器为火星车和地球建立了中继通信链路，将火星的“真容”传回地球。

“天问一号”在距离火星约220万公里处，获取了首幅火星图像。①阿茜达利亚平原;②克律塞平原;③子午高原;④斯基亚帕雷利坑;⑤水手谷。

火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑，以及最长的峡谷——水手谷等标志性地貌清晰可见。

全色图像由高分辨率相机在距离火星表面约330千米-350千米高度拍摄，分辨率约0.7米，成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见，据测算，图中最大撞击坑的直径约620米。

2021年3月4日，国家航天局发布“天问一号”探测器拍摄的高清火星影像图。

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。国家航天局探月与航天工程中心、新闻宣传中心供图

着陆，步步惊心

进入火星轨道后，“天问一号”探测器经过几次调整，于2021年2月24日成功实施第三次近火制动，进入火星停泊轨道，开展为期约3个月的环绕探测。“天问一号”探测器环火期间，每次经过预定着陆区乌托邦平原上空时，都会利用高分辨率相机对预定着陆区地形、地貌进行详查，每隔一段时间都会利用中分辨率相机探测着陆区是否存在沙尘天气，为着陆巡视器安全着陆做好准备。

北京时间5月15日凌晨1时许，“天问一号”探测器在火星停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。随后，环绕器与着陆巡视器分离，环绕器返回停泊轨道，着陆巡视器运行到距离火星表面125千米高度时，开始进入火星大气。

从进入火星大气层到最终着陆的过程中，“天问一号”经历了“生死9分钟”—通过一连串10多个动作，将速度由2万千米/小时减到0，这些动作环环相扣，要一气呵成，每个动作都只有一次机会，一步出错，全盘皆输。

着陆巡视器进入火星大气后，通过外形结构与火星大气剧烈摩擦减速，减速一定程度后展开配平翼，利用空气动力来调整姿态。然后，从背罩上弹出降落伞，进一步减速。继而，抛掉进入舱的大底，展开4条支腿，通过雷达测量速度和对火距离，在距离地面一定高度时抛掉背罩和降落伞，7500N变推力发动机开机进行动力减速，边下降边进行粗避障。在距离火面约100米处悬停，再次判断地形，选定最终着陆点，再缓缓着陆，在触地瞬间准确判断已经着陆，关闭发动机，完成着陆过程。

“天问一号”火星探测器着陆全过程

“天问一号”探测器

●“天问一号”探测器重约5吨，由着陆巡视器（进入舱和“祝融号”火星车）和环绕器共同组成。

●在执行着陆任务时，着陆巡视器与环绕器分离。着陆巡视器在火星乌托邦平原南部预定区域实施软着陆，

●火星车驶离着陆平台，开展巡视探测等工作。

●环绕器升轨返回到停泊轨道，为着陆过程提供中继通信，继而进入中继轨道，为火星车提供通信中继。

模拟火星探测器着陆火星表面。

我们为什么要探索火星

●火星是離地球较近且环境最相似的星球，火星上是否存在孕育生命条件成为火星研究重大科学问题。

●火星半径约为地球的一半，体积约为地球的1/7;质量约为地球的1/10，重力加速度约为地球的3/8;自转周期为24小时37分23秒，一天比地球略长;公转周期为687天，接近地球的2年，与地球的会合周期约为26个月。火星有稀薄大气，密度约为地球的1%，成分主要是二氧化碳，占95%以上。目前测到的最高气温约27度，最低达到零下130度。

●人类对于火星的探索，从20世纪60年代就已经开始。目前只有美国和中国掌握了火星软着陆技术。

2020年10月1日，国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器飞行图像。

为什么着陆在火星北半球的乌托邦平原

●火星上的地形地貌从分布上来看，北半球多为平原，南半球大多是山地，以往的火星探测任务大多数选择着陆在北半球。

●为了实现“安全着陆与巡视”的要求，科研人员识别了火星高度、坡度、岩石、风速、尘土、能源等约束要素，在各种条件相对较好的北纬5度-30度区间内，选了两个区域。

●“祝融号”火星车软着陆的乌托邦平原南部预定区域，很可能是一个古海洋所在地，有很高的科学价值。据专家介绍，地处火星北半球的乌托邦平原是太阳系中最大的撞击盆地，直径约3300千米。

火星车“祝融号”的任务

“天问一号”成功着陆当日，着陆平台完成坡道展开，“祝融号”火星车完成桅杆、太阳翼和天线展开，在第一时间将成功展开的消息传回地面。

5月17日，环绕器进入中继轨道，为“祝融号”和地球建立中继通信链路，将火星的“真容”传回地球。

“祝融号”火星车按程序進行环境感知和状态检查，一切准备就绪后，于5月22日10时40分，安全驶离着陆平台，抵达火星表面，开始新的征程。

中国首次火星探测任务的科学目标是：研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等。

“祝融号”火星车以3天为一个工作周期开展科学探测。受苛刻环境影响，“祝融号”每日只能工作约两个小时，工作内容主要包括环境感知、移动巡视、科学探测、数据下传等。“祝融号”开展90个火星日（约92个地球日，火星自转周期约为24小时37分钟）的科学探测后，将完成既定的巡视探测目标。

“天问一号”留守火星，环绕探测

火星车前避障相机正对前进方向进行拍摄。图中可见坡道机构展开正常; 图像上部的两个伸杆为已经展开到位的次表层雷达天线;前进方向地形清晰。为获知火星车前进方向更大范围的地形信息，避障相机采用大广角镜头，在广角镜头畸变的影响下，远处地平线形成一条弧线。

5月17日，“天问一号”环绕器通过第四次近火制动，顺利进入周期为8.2小时中继通信轨道，成为地球和火星之间的“信使”，同时开展科学探测。按照计划，在火星车完成90个火星日的既定探测工作后，环绕器将进行轨道调整，进入近火点265公里、远火点1.2万公里的科学探测轨道，对火星开展约1个火星年（约2个地球年）的遥感探测，力求对火星表面“全覆盖”，同时兼顾火星车后续探测的中继通信。

“天问一号”任务之后，中国的行星探测计划将继续新的征程。据了解，2025年前后，将实施小行星探测任务，2030年前后，将实施火星取样返回、木星系探测等任务，目前正在开展关键技术研究，更多的“天问”系列任务，将使中国的行星探测迈向更远的深空。