“祝融”落火

赵聪

2021年5月15日了时18分，中国“天问一号”探测器稳稳降落在位于火星北半球的乌托邦平原上。至此，我国首次火星探测任务顺利度过了最为凶险的阶段——从进入火星大气层到着陆火星表面的“惊心动魄9分钟”。

两万千米到零的降速

2021年5月15日7时许，“天问一号”着陆巡视器飞向火星大气层，“惊心动魄9分钟”拉开序幕。此前人类21次尝试着陆火星，美国取得8次成功，苏联“火星三号”着陆20秒后失联，其他尝试均告失败。现在，中国队来到赛道。

着陆巡视器快速冲向火星，时速高达2万千米，约为“和谐号”高铁时速的70倍。从火星上空到达火星表面，总共只有不到10分钟，如何在这么短时间里把速度从2万千米降到零？火星着陆的终极手段是降速。

“天问一号”任务火星着陆共分为4个阶段：气动减速段、伞系减速段、动力减速段、悬停避障与缓速下降段。“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。”专家说。

第一阶段为气动减速段，火星既有的稀薄大气与进入舱产生摩擦实现减速。着陆巡视器被装在进入舱中，进入舱分为背罩和大底，大底是一个盾形结构，飞入大气层时，大底斜向下对抗冲击和烧蚀。

研制团队进行了大量风洞试验，从积累基础数据开始，最终完成了进入舱气动外形和热防护的研究、设计。

专家介绍，气动减速阶段有一个环节是展开配平翼，目的是减少探测器的晃动，为后续打开降落伞创造更好的条件。

气动减速过程克服了高温和姿态偏差，约5分钟减速后，着陆巡视器的下降速度也减掉了90%左右，降到每秒约460米。这时，着陆巡视器距离火星表面约11千米，着陆进入了第二阶段——伞系减速段。

“如果能够顺利打开降落伞，火星着陆就成功了90%。”专家说。

开伞过程很巧妙。降落伞装在弹伞筒中，弹伞筒有单门冰箱大小，装在进入舱背罩的正下方。收到控制系统发出的点火指令后，弹伞筒中的火药点燃，产生的高压燃气推动伞包冲开筒盖，飞出进入舱。随后，降落伞以倒拉的方式展开。这顶降落伞是我国首次亮相的锯齿形盘缝带伞型，展开面积达到200平方米。很快，它充气张满，48根黄色伞绳拉得笔直。

据专家介绍，着陆火星，我国要首次在超声速、低密度、低动压的条件下开伞，以往航天器的降落伞不适合在火星使用，要么是不能在超声速下完成对降落伞的稳定充气，要么是不能满足低密度低动压条件下的稳定性需求。

针对火星探测任务，降落伞设计师首次设计使用了锯齿形盘缝带伞型，并采用了新研制的特纺材料，创新了伞绳插接工艺，提高了降落伞的强度与可靠性。

随着红白色巨型降落伞的展开，着陆巡视器下降变得更慢，随后进入舱的大底抛开，承载着“祝融号”火星车的着陆平台率先与火星打了照面。

“祝融”稳落火星

降落伞把速度降到每秒约95米，着陆巡视器距离火星表面1～2千米，此时，降落伞携带进入舱的背罩与着陆巡视器分离。“祝融”露出头来，呼吸到了火星上的新鲜大气。

但降落还没有停止，惊心动魄时刻并未结束，此时，推进系统开始担纲主力，火星着陆进入第三个阶段——动力减速段。

“天问一号”着陆巡视器推进分系统主任设计师韩泉东介绍，着陆巡视器上配置了1台了500牛变推力发动机和26台姿控发动机。

其中，7500牛变推力发动机安装在着陆平台的正下方，为该阶段减速提供主要动力;8台250牛发动机方向与主发动机一致，配合主发动机实施减速;8台水平安装的250牛发动机可用于横向平移;其余姿控发动机均用于精确姿态控制。

在多台发动机的作用下，着陆下降速度从每秒约95米降至每秒约1.5米。

距离火星表面100米时，着陆巡视器悬停了下来，但还不是休息的时候，火星着陆过程进入到最后一个阶段——悬停避障与缓速下降段。

人类探索火星的减速方式大致相似，但到了最后一步，距离火星咫尺之遥时，方式开始多样起来。综观以往，最后一步大致可分为气囊弹跳式、反推着陆腿式和空中吊车式。

专家介绍，气囊弹跳式适合小重量探测器着陆要求，反推着陆腿式可满足重量较大的探测器在火星软着陆要求，空中吊车式可满足重量更大的探测器软着陆要求。

我国“天问一号”着陆巡视器采用的是反推着陆腿式在火星表面软着陆，这同我国探月工程“嫦娥三号”和“嫦娥四号”着陆月面的方式类似。

专家介绍，悬停在空中后，着陆巡视器搭载的微波测距测速敏感器、光学相机等6台仪器都同时开启，对火星表面进行观察和分析，判断出火星表面哪里更平整，在哪里“落脚”更安全。

这一步同样关键，如果着陆地点选不好，前边所有努力或许都会付诸东流。“100米的高度已经能对着陆地形进行准确的判断，看看有没有大坑和大石块，有的话就需要避开它。”

此时，在推进系统提供的连续可调的轴向推力和强劲的横向推力作用下，着陆巡视器寻找最优着陆点，选择更加平坦的地形，确认最终着陆位置，实施缓速下降。

7時18分，4条着陆腿与火星表面第一次亲密接触。触地后，带有缓冲装置的4条着陆腿有效抵挡了着陆瞬间的;中击力，在与推进系统共同作用下，重1.3吨的着陆巡视器稳稳地落在火星乌托邦平原南部的预定着陆区域。

闯过“惊心动魄9分钟”，中国首个火星探测器平安抵达火星表面。从上空俯瞰，“祝融号”像一只展翅的大鹏，不日，它将驶下着陆平台，在火星表面轧下第一道“中国印”。

（本文摘编自《中国航天报》）