『天问一号』着陆火星的那些难题

张军

2021年5月15日7时18分，“天问一号”着陆器带着“祝融号”火星车成功着陆于火星表面，迈出了“环绕、着陆、巡视”任务中最关键的一步，标志着我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆和巡视探测技术的国家。

着陆火星，挑战重重。自1960年10月10日苏联发射第一颗火星探测器以来，火星便成为太空中最热门的探测目标，特别是20世纪90年代以来，每次的发射窗口期均有探测器发射，从未间断。但在“天问一号”成功落火之前，在火星表面成功软着陆的只有寥寥数次。

今天，我们从初中物理的知识层面，对“天问一号”着陆器着陆火星的减速过程进行简单分析。

着陆问题的本质

让鸡蛋从高处落下，掉到地板上，鸡蛋就摔碎了（图2）。这就好比硬着陆，结果是粉身碎骨。这里面包含着能量转化的奥秘。

物体因运动而具有动能，动能大小与物体的质量成正比，和速度的平方成正比。物体因被举高而具有重力势能，重力势能的大小与质量成正比，与相对高度成正比。还有一种势能是弹性势能，是物体发生弹性形变之后产生的，储存于形变物体中。动能和势能（含重力势能和弹性势能）统称为机械能。动能和势能之间可以相互转化。当物体下落到地面时，最终相对于地面的高度变为零，速度也为零，机械能也就为零了。

那么，物体原有的机械能哪里去了呢？

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能由一种形式变为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。掉落在地面上的物体，当它的机械能为零时，能量并没有“消失”，而是变成了其他形式的能。比如，乒乓球掉落桌面后不断弹起，每次弹起的最大高度都在不断变小（图3）。这是因为克服空气阻力做功、撞击桌面做功都会损耗机械能，将机械能转化为内能。乒乓球掉到桌面前的一瞬间速度最大，动能也最大，然后不断撞击桌面，直至速度变为零。这个过程中，乒乓球和桌面都会发生弹性形变，将刚才乒乓球的动能转化为弹性势能。接着，乒乓球和桌面都会恢复原状，将弹性势能又转化为乒乓球的动能。但是，這时的动能已经没有撞击之前那么大了，因为其中一部分能量转化为了乒乓球和桌面的内能。事实上，在乒乓球下落和弹起的过程中，机械能每时每刻都在减小，因为空气阻力一直存在，撞击也会损耗机械能。如果用精密的仪器测量，我们会发现，空气、乒乓球、桌面的温度都在升高。

功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程;做了多少功，就有多少能量发生了转化。

任何撞击都会产生冲击力。乒乓球掉落桌面时，产生冲击力的过程非常复杂。乒乓球对桌面施力，同时桌面也对乒乓球施力，这两个力是一对相互作用力，符合牛顿第三定律的描述：大小相等，方向相反，作用在一条直线上。乒乓球会对桌面做功，桌面也对乒乓球做功——这个做功的过程就是能量转化的过程。如果其中一方的承受力差，就有可能损坏——掉在地面的鸡蛋就是这么摔碎的。如果掉在另一个鸡蛋上，则可能两个鸡蛋都碎了。

如果在地面垫上泡沫，掉落的鸡蛋就安全多了，就像我们跳高时落到海绵垫上（图4），不会摔伤。这是为什么呢？

鸡蛋接触地面之前，有一定的速度;碰撞结束，速度变成零。如果碰撞过程的时间延长了，发生形变的时间也就延长了，或者说速度减小到零的这段时间延长了，就可以减小冲击力。这个过程就是我们所说的缓冲。打印机的硒鼓外面包着气囊（图5），是为了防止运输和储存过程中碰撞的冲击力带来破坏;家用电器的包装箱里填充泡沫、纸条、海绵等材料，也是为了防止运输过程中的碰撞。鸡蛋、玻璃杯、水果等的包装都采用了缓冲设计（图6、图7），缓冲材料增加了速度减小到零的时间，减少了冲击力。

自行车车座下面有弹簧，轮胎充气而富有弹性，也有增大缓冲、减小冲击力的考虑。想象一下，如果自行车的车座就像个板凳而没有弹簧缓冲，车轮就是一个圆形的钢结构而没有轮胎，那么路面颠簸时，你会感觉多不舒服！缓冲和减震已经成了一门专门的学问，缓冲设计在我们的日常生活中到处可见。

“天问一号”着陆器（也叫着陆平台，帮助火星车登上火星的运载工具）和火星车总质量为1300千克，进入大气层的速度约为5000米/秒，机械能大得惊人。如何将它的机械能（或者速度）在落地前减到最小？如何延长它与地面撞击的时间？如何在撞击时将机械能吸收掉，以减小冲击力？

着陆问题的本质，就是让着陆器顺利下落到火星表面，并且在高度为零时，速度也为零，这就是软着陆。为达到这个目的，着陆器先后经历了气动减速、伞降减速、动力减速、着陆缓冲4个阶段的减速。

钝形底部设计有奥妙

火星表面是有空气的，但是密度很小。火星表面的大气密度约为0.015千克/米3，而地球表面的大气密度约为1.293千克/米3;离火星表面10千米高度处的大气密度约为0.0065千克/米3，而离地球表面10千米高度处的大气密度约为0.413千克/米3。它们基本上差两个数量级。

因为火星表面有空气存在，就可以考虑利用大气阻力来减速——将部分机械能转化为空气和着陆器的内能。当着陆器与环绕器分离，切入火星大气层，就进入了气动减速阶段。

稀薄的火星大气对着陆器的阻力比较小。如何增加阻力呢？可以把着陆器的防热大底进行钝形设计。大家都知道，高铁列车头部一般都设计成流线型的子弹头形状（图8），这样可以大大减小空气阻力，还能降低噪声。那么，需要空气阻力大一些时，就可以反过来设计，让物体压缩空气的表面钝一些、平坦一些，而且面积大一些。如果我们把伞收拢，伞尖向前，握住伞跑起来，我们几乎感觉不到空气阻力的增加;但是如果把伞撑开，仍然伞尖向前，这时跑起来就会明显感受到巨大的阻力（图9）。同样，纸片底部设计成锥形，要比设计成钝形下落得快（图10）。

钝形的防热大底设计，还可以起到降温和稳定着陆器的作用（图11）。

有两个原因会导致着陆器表面温度升高。一是摩擦生热。火星大气与着陆器边缘之间发生摩擦，将机械能转化为内能，让着陆器和空气的温度都升高。这个我们很好理解，感觉手冷时，把双手搓一搓，手就会变暖。钻木取火也是利用摩擦生热——克服摩擦做功，把机械能转化为内能。二是气动加热。着陆器前端会压缩空气，把机械能转化为内能，导致气体温度升高，高温的气体又反过来加热着陆器。汽油机和柴油机的压缩冲程就是通过压缩气体做功，让气体内能增加的。柴油机压缩冲程末，气体温度可能超过1000℃;飞行器压缩大气层中的气体，温度会高得多。

压缩气体做功，气体内能增加，温度升高;反过来，气体膨胀对外做功，内能则会减小，温度降低。我们用打气筒给自行车打气时，气筒壁的温度会升高，主要也是由于压缩空气做功，让空气内能增加造成的。打气筒活塞摩擦筒壁产生的热量其实是较小的。如果我们将车胎放气，车胎内气体对外做功，内能会减小，温度会降低。车胎放气后，用手摸一下气嘴，会感觉凉凉的。同样，往气球里打气，气球温度会升高;将气球放气，温度则会降低（图12）。

着陆器的大底结构和大底拐角部位的气动加热最严重，这些部位使用了超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。一方面，可以利用表面发生的复杂物理和化学反应带走大量的热;另一方面，材料良好的保温隔热性能也可以有效防止探测器被烧坏。再者，钝形的底部设计会将前方的热空气推开一段距离，这样可以减少高温气体对载荷的加热。“嫦娥五号”返回器也采用了钝形防热大底设计，即使返回器大底前端温度達到了5000～6000℃，返回器的温度一般也不会超过3000℃。

飞行器再入地球大气层时，气动加热可使空气温度达到7000～20000℃，空气中的氧气、氮气等在高温下分解成原子，原子进一步被分解为原子核与电子，变成等离子状态，产生人眼可见的光芒。这时，飞行器就相当于被装进了等离子制作的“刀鞘”，这就是所谓的“等离子鞘”。等离子体对电磁波的吸收和反射作用，会让飞行器与外界的电磁波信号衰减甚至中断，这种现象称为黑障。流星划过天际，大部分都会被高温烧掉，只有少部分落到地面，这就是陨石。20世纪，美国进行“民兵3”导弹试验时，有两次弹头都在再入地球大气层时被烧掉。

火星表面空气稀薄，“天问一号”着陆器降落时，气动加热不会像在地球大气层那么明显，但是峰值温度也会超过1300℃，依然会使大气变成等离子体（图13），出现黑障现象，这段时间能否安全降落完全靠着陆器自身。

着陆器刚进入火星大气层时，高度约125千米，速度可达4800米/秒，相当于子弹出膛速度的6倍。经过大约5分钟的气动减速后，速度就下降到了460米/秒，机械能消耗了约90%，接下来就进入降落伞减速阶段。

降落伞减速“看易实难”

火星的吸引导致着陆器下落时会加速，空气阻力又会对着陆器起到减速效应。使用降落伞可以增大空气的阻力，让着陆器的下降速度进一步减缓。目前，使用降落伞是最经济、最高效的减速方法，国内外所有的火星着陆任务均采用了降落伞进行减速（图14）。

当着陆器距离火星表面大约11千米时，着陆器发出弹伞指令，弹伞筒内的火药被点燃，产生高压燃气，推动筒内的活塞运动，使降落伞的伞包冲开尾部的伞舱盖，飞出弹伞筒。降落伞飞出弹伞筒之后，从伞包中倒拉出来，伞绳逐渐被拉直，伞被充气张满，发挥减速作用。这说起来非常容易，实际上难度大得多，因为有多重因素需要反复考虑。

降落伞采用什么样的设计、采用什么样的开伞控制方法、在多高的地方开伞、在速度多少时开伞、伞的弹射速度多大，都大有讲究。

与以往航天器的环帆伞、带条伞等不同，“天问一号”的主降落伞采用了锯齿形盘缝带伞设计，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，这样的设计有利于承力和确保稳定性。降落伞打开后，展开面积达200平方米，由48根伞绳牵引。为了防止降落伞冲破筒盖后筒盖砸到主降落伞，还为筒盖配了一顶减速小伞，用来保证筒盖与主降落伞之间有足够的安全距离。降落伞和筒盖减速伞的总质量控制在了40千克以内，包装体积控制在了60升以内。伞面和绳均使用了最新研发的特纺材料，伞绳的连接也首次使用了插接工艺，这样更能提升伞绳的强度。

在降落伞成功打开后的约2分钟时间内，着陆器的速度由460米/秒降低到95米/秒。在距离火星表面约1.2千米的高度，降落伞和背罩一同与着陆器分离，降落伞的使命就结束了，着陆器进入动力减速阶段。

动力减速接过下一棒

喷气加速的现象我们都见过，将气球吹足气，然后松开手，气球里的空气就会向后喷出，导致气球向前加速（图15）。

那么，如果飞行的气球向前喷气呢？就会让速度降下来，这就是反向喷气减速，也称为动力减速。“天问一号”着陆器的动力减速由反推火箭发动机完成。反推发动机在轨道修正、攻角调整、悬停、自主避障等阶段同样要应用到。

降落伞任务完成后，防热大底随之脱落，着陆器底部伸出几条腿，7500牛顿的变推力发动机开启反推（图16），让着陆器减速下落。在距离火星表面约100米的时候，着陆器悬停，开启地形探测设备进行地貌观察。激光三维成像技术可以帮助着陆器“看到”地面上哪里有坑、哪里有石头、哪个地方比较平坦，着陆器能够自主避开障碍、选择降落地点。“嫦娥四号”落月时也使用了这项自动避障技术。这时，为了保持或调整姿态，周边的小发动机还在不停喷气，探测器和发动机的配合必须非常“默契”，否则可能前功尽弃。

为减小落火时的冲击力，汲取了“嫦娥”成功落月的经验，“天问一号”着陆器的着陆腿使用了特种吸能合金。该合金的强韧性、轻质性和吸能性都非常强，可有效吸收着陆器着陆的冲击能。着陆腿底部的面积较大，可以增加受力面积以减小压强，避免腿部陷入火星土壤，给后续的火星车驶下着陆器造成麻烦。

着陆器着陆火星的过程可谓惊心动魄。在“天问一号”成功落火之前，人类已实施火星探测活动达40多次，其中着陆任务17次，只成功了8次。难怪有人感慨，火星就是探测器的坟场！

而我们的“天问一号”着陆器，不但安然无恙地着陆火星表面，而且实际着陆点与设计的着陆点只差了3千米！

其实，除了着陆技术，“天问一号”还有很多其他技术的突破，比如新材料技术、温控技术、能源技术等。深空探测需要众多前沿科学与高新技术的融合，能集中体现一个国家的综合国力和创新能力。“天问一号”的成功，在突破深空探测基础关键技术、带动基础研究发展、保障国家安全、提升国际影响力等方面均具有重要意义。我们必将为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体贡献更多的中国智慧和力量。