火星你好，中国来了！

图/《人民日报》

中国航天再次迎来历史性时刻！

5月15日7时18分，距离地球3.2亿千米之外，“天问一号”探测器成功实现火星表面软着陆，稳稳落在火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得成功！

自2020年7月23日在文昌航天发射场启程，“天问一号”经历了长达近7个月的“奔火”之旅和3个月的“环火”探测，如今“登火”成功，并且即将开展巡视探测。

环绕、着陆、巡视，通过一次发射实现“绕、着、巡”三大任务，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，我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。

为何三个月才抵达——一刻不闲，为落火做万全准备

早在今年2月10日，“天问一号”探测器就成功“刹车”被火星捕获，但随后3个月“迟迟”未落。为何飞了这么久？

“这是从整个任务的角度考虑的。这是我国第一次探索火星，形象地说，我们在到达后要先看看路。”“天问一号”火星环绕器副总指挥褚英志介绍，我国预选在火星表面的着陆区是根据天文界研究成果以及国外对火星成像的照片来选择的，选择的时候其实我们还没有第一手资料。

“天问一号”探测器是个“三件套”，包括环绕器、进入舱和“祝融号”火星车，后两者共同组成着陆巡视器。为了给着陆巡视器落火“看清楚路”，环绕器对预选着陆区开展了多维度探测，一方面探测地形地貌，选择地形平坦无障碍的地方；另一方面静候“天机”观天象，获取着陆区附近区域的气象状况。

褚英志进一步解释：“环绕器要对我们的着陆区进行从北到南、覆盖性的观测，这种观测要进行很多次，方便进行对比，要看这个区域是否存在沙尘暴，沙尘暴的运动速度和方向等。”

由于火星车采用太阳能帆板的形式供电，大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面，从而降低发电效率甚至导致发电能力丧失。火星表面每年都会形成几场大沙尘暴，历史上就有探测器因抵达火星时赶上沙尘暴，最终没能顺利展开工作。对火星车来说，失去能源供应无疑是致命的。

同时，沙尘暴可能改变着陆巡视器下降过程的动力学参数，影响着陆过程的安全性。沙尘粒子可能会附着在探测器表面，甚至钻入内部，造成仪器设备故障。因此，环绕器提前探测预选着陆区是至关重要的。

此外，环绕器还要对成像系统进行验证，检验飞行器上相机的成像效果。

据介绍，环绕器搭载了中分辨率和高分辨率两种相机。高分辨率相机拍摄的照片像素高，受数据传输限制，大像素照片不能拍摄大范围的区域。此时，就需要利用中分辨率相机作为补充。一旦发现值得探寻的区域，再利用高分辨率相机具体拍摄。

落火过程有多险——经历“未知9分钟”

人类火星探测起步于20世纪60年代，截至2020年6月底，全球共实施了44次探火活动，完全成功的探测任务只有19次，成功率不到50%。

着陆，是火星探测中风险最高的环节。迄今为止，人类成功登陆火星的探测器只有9个。“天问一号”的成功着陆，让火星第一次留下中国人的印迹。

9分钟内速度从2万千米/时降为0米/时

火星的北半球多平原，南半球多山地，因此此次火星软着陆的地点就选择在火星北半球的乌托邦平原的南部。

整个降落过程大致分为“进入—减速—软着陆”三步，简称为EDL（Entry，Descent，Landing）。据中国航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯介绍，“天问一号”在进入火星大气层以后首先借助火星大气，进行气动减速，这个过程它克服了高温和姿态偏差。气动减速完成后，“天问一号”的下降速度也减掉了90%左右。紧接着“天问一号”打开降落伞进行伞系减速，当速度降至100米/秒时，“天问一号”通过反推发动机进行减速，由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星表面100米时，“天问一号”进入悬停阶段，完成精避障和缓速下降后，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，抵达火星表面。

总的来说，整个过程“天问一号”在9分钟内将约2万千米/时的速度降至0米/时。值得一提的是，虽然此前我国已有月表着陆经验，但是此次“天问一号”火星软着陆任务更加艰难。

一方面火星表面存在大气，其大气密度是地球表面大气密度的1%左右，因此火星比月球的环境更为复杂；另一方面火星离地球距离更加遥远，通信时延单程为20分钟左右，因此整个着陆过程相距遥远的地球来不及做任何处置，只能靠“天问一号”自主完成，经历“未知9分钟”。

中国航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超表示：“我国是首次实施火星探测任务，对火星的环境，特别是大气，我们没有一手数据。所以相当于我们到了一个完全未知的环境，这种难度可想而知。”

稍有不慎就撞向火星表面

“天问一号”的环绕器可以理解为搭载着陆巡视器的“专车”。在登陆火星一系列动作中，它需要按顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等一系列动作，分离前后的控制总共需要约7个小时。这些太空芭蕾般的优美舞姿，都需要环绕器自主、准确、可靠地完成。

“这是一系列很关键的姿态和轨道机动，稍有不慎，探测器就可能被火星引力拉向火星表面坠毁。由于通信时延的存在，我们没有办法实时获知探测器的状态，无法对异常情况进行及时干预。”环绕器副总设计师朱庆华说，“可以说，两器分离的过程是对我们控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。”

明确了着陆器准确的着陆点后，探测器的一系列机动也就随之确定下来。在探测器进行第一次降轨点火的3个小时前，设计师们已上注所有控制策略，策略中包含了对可能发生情况的应对。

分离时环绕器的轨道控制精度和姿态控制精度，是着陆巡视器能否进入预定着陆区的前提。这些需要依赖于敏感器、执行机构、计算机以及算法的准确性，可以说是对探测器导航、制导与控制分系统的一次大考。实际过程中，探测器需要自主进行测量计算并进行判断，每个环节都必须精准无误、分秒不差。

设计师们也做了不同情况下的预案和对策。当环绕器通过自身的敏感器发现没有完成既定动作时，会自主携带着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星，并在合适时机再次选择执行两器分离的一系列动作。

5月15日，航天科研人员在北京航天飞行控制中心指挥大厅庆祝我国首次火星探测任务着陆火星成功（新华社 金立旺 摄）

环绕器成通信“中继站”

在此次火星探测任务中，环绕器不仅仅是一辆星际“专车”，它还是一座功能强大的通信“中继站”，为火星表面巡视器与地球搭建通信桥梁，肩负对火星表面进行遥感探测的任务，同时选择恰当的时机将巡视器的数据“中继”传向地球。

在距离地球2.93亿千米的轨道上准确指向地球，相当于要在2米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身飞行运动情况下，时刻保持瞄准状态。

朱庆华说，环绕器携带有2块太阳电池阵、1幅高增益数据传输天线、1幅对巡视器数据中继天线。在环绕器执行数据中继任务时，需要驱动太阳电池阵对准太阳方向以保证自身电能的供应，同时需要高增益天线跟踪地球、中继天线指向巡视器以建立数据“鹊桥”。“此时，环绕器需要同时实现对巡视器、地球、太阳3个目标的高精度同步指向控制，绝对可以称得上是面面俱到了。”制导、导航与控制系统主任设计师聂钦博说。

聂钦博介绍，近地卫星通常是长期对地稳定，使用全向天线，不会出现通信链路中断的问题，而环绕器在环火飞行时与地球距离远，由于天线波束角有限，设计师们要在确保对天线指向高精度控制的同时，对可能发生的通信链路中断做出预案。

“我们设计了一种通信链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通信链路中断，探测器就会‘自主慢旋’，并在这一过程中，使天线扫到地球，进而恢复通信链路。这一过程也是环绕器自主实现。”软件设计师周志元说。

如今，环绕器依然在稳定环火飞行，成为了着陆巡视器与地球之间的通信桥梁，完成数据中继任务后，它也将全力开启自己的环火遥感之旅。

降落伞试验验证难度空前

“天问一号”着陆巡视器采用目前国际普遍使用的伞降减速方式，为安全着陆火星进一步减速。但在火星降落伞系统的设计、校核、仿真分析和试验验证方面，和其他国家还有诸多不同。

“天问一号”这套伞系减速分系统由中国航天科技集团五院508所研制，其降落伞首次采用锯齿形盘缝带伞，匹配国内最大的航天器火工装置弹伞筒，创新了伞绳插接工艺，深化了降落伞充气过程及物伞系统动力学仿真，基于中国的条件充分开展了降落伞高空开伞试验、直升机投放强度试验等试验验证。

“天问一号”采用一顶主降落伞、一次性充气展开减速的方案。降落伞是锯齿形盘缝带伞，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。专家表示，“天问一号”着陆巡视器进入火星大气后在自身的气动外形下减速，降落伞打开后又将其进一步减速到每秒约95米，之后着陆巡视器进入悬停避障段。

火星降落伞的开伞条件比较特殊，主要体现在超声速、低密度、低动压开伞。针对火星降落伞的特殊开伞条件，科研人员在伞的设计研制中，从伞型选择、设计参数选取、材料选用、局部结构改进等方面采取了相应的特殊性措施。

科研人员充分借鉴以往探空火箭相同伞型的经验以及国外火星探测降落伞的成果，对盘缝带伞的设计参数进行优化，首次使用一些新研的特纺材料，并在伞绳连接等环节首次使用插接工艺，相比缝纫工艺连接强度显著改善。

火星特殊的开伞条件，使得降落伞的试验验证难度空前。在地球上，最接近火星真实开伞条件的试验模拟方法，就是高空开伞试验，即在地球表面40千米左右的高度，创造一个超声速开伞条件，能最大程度地验证火星降落伞的功能性能。

如何把降落伞送到40千米的高空？无论是利用高空气球还是探空火箭，都是高成本、高风险的试验验证方式。令人欣慰的是，科研人员克服了开伞条件难以实现、降落伞开伞异常等诸多困难，为“天问一号”着陆火星交上了完美答卷。

使命是什么——13种科学载荷完成五大使命

成功着陆后，“天问一号”“绕、着、巡”的串联任务终于进行到最后一步。着陆后，“天问一号”进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面。进入舱和“祝融号”火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开，“祝融号”火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后，火星车将自主驶离进入舱，抵达火面，开始新的征程。

探测火星不仅是工程任务的突破，更是行星科学领域的突破。除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，“天问一号”整体上携带了13个科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，6个分布在火星车上。

据介绍，“天问一号”环绕器搭载的7个科学载荷分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。而6个分布在火星车上的科学载荷，则分别为多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。

据专家介绍，这些科学载荷有五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。其中，与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场，这些也将解答大众的好奇，如火星究竟是什么样的气候等。

高分辨率相机可对火星重点地区开展局部高分辨率地形地貌详查，将为火星拍下来自中国的“定妆照”（图/中国科学院官网）

火星车有何绝招——“祝融号”上演荒野求生

此前，中国首次火星探测任务总设计师张荣桥曾对外公布“祝融号”火星车的配置细节：火星车质量约240千克，为6轮独立驱动，携带6台载荷，其太阳翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地将“祝融号”火星车比喻为“火星蝴蝶”。

火星环境是出了名的恶劣，要想完成使命，“祝融号”火星车必须足够强大，努力“活下来”。中国曾数次造访月球，积累了宝贵经验。但月球与火星最大的不同，在于月表近乎真空，而火星有大气层，这大大增加了探索火星的难度。

从以往火星探测器拍摄的图片来看，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。但事实上，火星上的风速可达每秒180米，这几乎是地球上超强台风风速的3倍多。这般“凶狠”的烈风会掀起大量的沙尘、石块，形成特大沙暴。让“祝融号”火星车的“眼睛”蒙尘，“翅膀”不再灵活。面对这种情况，设计师使用了一种新型材料，这种材料不易沾上灰尘，即使沾上也可以通过振动将其抖落。

火星表面还密布着石块等障碍物，这就使得火星车的行驶需要更加小心翼翼，以免被障碍物卡住造成操作的迟滞。那如何才能火星车的每一步都走得更加稳妥呢？设计师们也想出了应对之策。在中国航天科技集团五院的实验室中，有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”在火星上遇到复杂路况时，地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶，确认无误后才会发出指令。

按照计划，在紧张工作90个火星日后，“祝融号”火星车将结束巡视探测工作，“天问一号”环绕器也将进行轨道调整，从而开展环绕科学探测。

“一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”曾有学者用上述语言形容“蝴蝶效应”。如今，“祝融号”这只全球瞩目的“火星蝴蝶”已成功着陆火星，后续又会带给我们什么意外惊喜，让我们一起拭目以待吧。

国家国防科工局探月与航天工程中心发布的"祝融号"火星车外观设计构型图（图/新华社）

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火星探测为什么“火”

火星探测，可以说是当前行星探测的重点目标。太阳系八大行星中，人们似乎格外偏爱这颗红色星球。从20世纪60年代人类首次开展火星探测开始，截至目前，人类已进行47次火星探测活动，包括2020年7月中国、阿联酋以及美国实施的3次火星探测活动。

火星，成为人类探测时间最长、次数最多、参与国家最多的一颗行星。但是，火星探测任务的成功率却一直不高。目前只有美国和中国掌握了火星软着陆技术。

火星探测为什么这么“火”？专家介绍，火星是离地球较近且环境最相似的星球，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。以往的探测发现了火星存在水的证据，火星上是否存在孕育生命条件等成为火星研究重大科学问题。研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。

在太阳系类地行星中，火星的自然条件与地球最为类似。从外形上来看，火星半径大致是地球的一半，体积是地球的1/7，质量是地球的1/10。从地表温度来看，火星与地球最为接近。就连一年四季的变换和一天的时间也相差无几。火星的一天是24小时39分35秒，比地球长了约40分钟。从工程实践来看，按照目前的技术手段，火星探测相对于其他的行星探测，也更容易实现。

专家表示，“天问一号”是我国行星探测的起点，通过实施这次任务，新一轮创新将在火星使命牵引下全面铺开，这对实现航天技术领域新跨越、推动我国由航天大国走向航天强国意义重大。