圖為天問一號著陸巡視器著陸火星過程效果圖。(中國航天科技集團(tuán)五院供圖)
5月15日，中國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器成功在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，火星上首次留下了中國人的印跡。
早在2月10日，天問一號探測器就成功“剎車”被火星捕獲，但隨后3個(gè)月“遲遲”未落。為何飛了這么久？降落火星，為何專家們稱這是“任務(wù)最核心、最難的地方”？著陸后，天問一號又會以什么方式探索火星？帶著這些疑問，記者采訪了中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星探測器總體主任設(shè)計(jì)師王闖、中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春等專家。
為何這么久才抵達(dá)？
一刻不閑，為落火做萬全準(zhǔn)備
被火星捕獲后，天問一號探測器在3個(gè)多月里不僅對火星開展了多維度探測，還為著陸火星做好萬全準(zhǔn)備。
天問一號探測器是個(gè)“三件套”，包括環(huán)繞器、進(jìn)入艙和“祝融號”火星車，后兩者共同組成著陸巡視器。據(jù)航天科技集團(tuán)八院509所環(huán)繞器總體副主任設(shè)計(jì)師杜洋介紹，為了給著陸巡視器落火“打前站”，環(huán)繞器對預(yù)選著陸區(qū)開展多維度探測，一方面探測地形地貌，選擇地形平坦無障礙的地方，另一方面靜候“天機(jī)”觀天象，獲取著陸區(qū)附近區(qū)域的氣象狀況。
火星表面每年都會形成幾場大沙塵暴，歷史上就有探測器因抵達(dá)火星時(shí)趕上沙塵暴，最終沒能順利展開工作。沙塵暴可能改變著陸巡視器下降過程的動力學(xué)參數(shù)，影響著陸過程的安全性，且沙塵粒子可能會附著在探測器表面，甚至鉆入內(nèi)部，造成儀器設(shè)備故障。
由于火星車采用太陽能帆板的形式供電，大量沙塵會覆蓋在太陽能電池片的表面，降低發(fā)電效率甚至導(dǎo)致發(fā)電能力喪失。對火星車來說，失去能源供應(yīng)無疑是致命的。因此，環(huán)繞器提前探測預(yù)選著陸區(qū)，了解沙塵暴等動向，從而避開惡劣天氣。
天問一號的登陸地點(diǎn)是火星烏托邦平原南部，通過分析該區(qū)域此前的氣象數(shù)據(jù)和火星探測器遙感數(shù)據(jù)，5月中下旬落火是較穩(wěn)妥的選擇。
除了做準(zhǔn)備工作，天問一號還完成了一系列科學(xué)探測。2月24日，天問一號進(jìn)入火星停泊軌道后，環(huán)繞器上的7臺科學(xué)儀器就已全部開機(jī)開始工作，期間還進(jìn)行了多次軌道調(diào)整。這意味著，它獲取了火星不同軌道高度上的科學(xué)信息，而不同軌道高度處的探測數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以幫助我們更全面地了解火星的空間環(huán)境信息，例如火星的磁場、電離層、太陽風(fēng)與火星高層大氣之間的相互作用等。
落火過程有多險(xiǎn)？
由天問一號自主完成，經(jīng)歷“未知9分鐘”
天問一號落火分三步：進(jìn)入，減速和軟著陸，簡稱“EDL”。5月15日凌晨1時(shí)許，天問一號探測器在停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動至火星進(jìn)入軌道；4時(shí)許，著陸巡視器與環(huán)繞器分離，歷經(jīng)約3小時(shí)飛行后，進(jìn)入火星大氣，經(jīng)過約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖，成功軟著陸于預(yù)選著陸區(qū)。
“這是整個(gè)任務(wù)中風(fēng)險(xiǎn)最高的一步，著陸過程無法由地面實(shí)時(shí)控制，只能靠天問一號自主完成。”王闖告訴記者，進(jìn)入火星大氣層以后，天問一號首先借助火星大氣進(jìn)行氣動減速，克服超高速摩擦產(chǎn)生的高溫、氣動帶來的姿態(tài)偏差等挑戰(zhàn)，將約2萬千米/小時(shí)的下降速度減掉了90%左右；緊接著，天問一號打開降落傘，進(jìn)行傘系減速，當(dāng)速度降至100米/秒時(shí)再通過反推發(fā)動機(jī)減速，由大氣減速階段進(jìn)入動力減速階段。距離火星表面100米時(shí)，天問一號進(jìn)入懸停階段，精準(zhǔn)避障、緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)和氣囊的保護(hù)下穩(wěn)穩(wěn)降落在火星表面。
難中之難是降落傘。“超音速降落傘是減速技術(shù)中難度最大的環(huán)節(jié)，天問一號在使用降落傘時(shí)要保證在超音速、低密度、低動壓下打開，而這個(gè)過程存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定等問題。”王闖說，由于火星大氣稀薄，研制人員設(shè)計(jì)了具備高效減速性能的探測器氣動外形和防熱結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了更輕量化的防熱材料。
雖然此前我國已有月面著陸經(jīng)驗(yàn)，但這次天問一號火星軟著陸任務(wù)更艱難。“地面站與探測器間通信是通過無線電波實(shí)現(xiàn)的，傳播速度每秒約30萬千米。月球到地球的平均距離是38萬千米，所以月球探測器與地球通信時(shí)幾乎感覺不到延時(shí)，但地球到火星之間的距離是變化的，最近時(shí)約5500萬千米，最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)到4億千米。”鄭永春告訴記者，由于距離遠(yuǎn)，地面與火星探測器的通信面臨最長接近20分鐘的延時(shí)，科研人員無法隨時(shí)控制探測器，考驗(yàn)前所未有。
“我國首次實(shí)施火星探測任務(wù)，沒有火星環(huán)境特別是大氣等參數(shù)的一手?jǐn)?shù)據(jù)，相當(dāng)于在一個(gè)完全未知的環(huán)境步步摸索，難度可想而知。”航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星巡視器總體主任設(shè)計(jì)師陳百超說。
在天問一號著陸巡視器落火前一天，英國《自然》雜志發(fā)表評論文章，稱“祝融號”火星車著陸是對中國深空探測能力的最大考驗(yàn)。報(bào)道還援引意大利博洛尼亞射電天文研究所行星科學(xué)家羅伯特?奧羅塞的話：“這項(xiàng)任務(wù)對中國來說是一個(gè)巨大的飛躍，因?yàn)樗麄円淮尉屯瓿闪嗣绹詈骄只藬?shù)十年才完成的任務(wù)。”
落火后做什么？
將依次開展對著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺并進(jìn)行巡視探測
到達(dá)火星不是目的，盡可能獲得有效科學(xué)探測數(shù)據(jù)才是目標(biāo)。接下來，火星車將依次開展對著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺并進(jìn)行巡視探測。
天問一號總共攜帶了13種科學(xué)儀器，能照相，會測物質(zhì)、測環(huán)境、測地質(zhì)、看氣象，坐擁“百般武藝”。火星車和環(huán)繞器共同肩負(fù)科學(xué)探測使命，主要涉及火星空間環(huán)境、地表形貌特征、土壤表層結(jié)構(gòu)等研究，將為中國帶來火星研究的第一手資料。
火星車高1.85米，重量達(dá)240公斤左右，裝有4個(gè)“蝴蝶翅膀”――太陽能電池板，6個(gè)輪子均是獨(dú)立驅(qū)動，是輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”。車上載有6種科學(xué)儀器，包括多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、導(dǎo)航地形相機(jī)等，此外還有避障相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)等諸多工程儀器。
環(huán)繞器對火星車的意義不止“帶一程”。著陸巡視器安全著陸后，環(huán)繞器會停留在通信中繼軌道，轉(zhuǎn)發(fā)各種信息數(shù)據(jù)回地球，同時(shí)也向火星車傳達(dá)來自地球的指令。
環(huán)繞器本身也是一個(gè)超級科研能手，攜帶了7臺科學(xué)儀器，分別是中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀，能在多軌道高度對火星進(jìn)行整體性、全球性、綜合性研究。
探測過程安排周密，把探測數(shù)據(jù)安全有效傳回地球也要萬無一失。考慮到火星距離遙遠(yuǎn)，我國在為探月工程而建的測控站之外，又新建了3臺測控站。“這樣可以4臺聯(lián)網(wǎng)天線組陣，測控能力更強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)火星距地球最遠(yuǎn)4億公里時(shí)的測控通信。”中國國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰說，這在測控技術(shù)上是很大的突破。
火星車的設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)火星月，由于火星上的一天比地球略長(火星自轉(zhuǎn)周期約為24小時(shí)37分鐘)，相當(dāng)于約92個(gè)地球日。按照計(jì)劃，約90個(gè)火星日后，火星車將結(jié)束巡視探測工作，環(huán)繞器也將調(diào)整軌道，進(jìn)入近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12000公里的軌道，對火星表面開展至少1個(gè)火星年(約2個(gè)地球年)的近距離遙感探測。
天問一號實(shí)現(xiàn)了我國首次地外行星著陸，推動我國星際探測再上新臺階，無疑也是人類航天史上的一次壯舉。美國宇航局助理局長托馬斯?祖爾布琴在社交媒體發(fā)文：“‘祝融號’登陸火星，恭喜中國國家航天局天問一號團(tuán)隊(duì)！和全球科學(xué)界一起，我期待本次火星任務(wù)對人類了解這顆紅色星球作出重要貢獻(xiàn)。”
浩瀚宇宙，承載著國人千百年來的向往，也寄托著全人類的共同夢想。千呼萬喚始出來，我國第一輛火星車大步邁向星際探測新征程。(本報(bào)記者 柴雅欣)
