中國(guó)航天再次迎來(lái)歷史性時(shí)刻！

　　5月15日7時(shí)18分，距離地球3.2億千米之外，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸，穩(wěn)穩(wěn)落在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功！

　　自去年7月23日在文昌航天發(fā)射場(chǎng)啟程，天問(wèn)一號(hào)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)近7個(gè)月的“奔火”之旅和3個(gè)月的“環(huán)火”探測(cè)，如今“登火”成功，并且即將開展巡視探測(cè)。

　　環(huán)繞、著陸、巡視，通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”三大任務(wù)，這在世界航天史上尚屬首次?；鹦翘綔y(cè)屬于高風(fēng)險(xiǎn)航天任務(wù)，我國(guó)突破了第二宇宙速度發(fā)射、行星際飛行及測(cè)控通信、地外行星軟著陸等關(guān)鍵技術(shù)，邁出了星際探測(cè)征程中的重要一步，是我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展中又一個(gè)具有重大意義的里程碑。

　　看點(diǎn)①: 從“奔火”到“探火”，天問(wèn)一號(hào)要闖六道關(guān)?

　　由于地球與火星之間距離迢迢，天問(wèn)一號(hào)探火的旅程可謂征途漫漫。

　　從工程設(shè)計(jì)來(lái)看，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)過(guò)程包括發(fā)射段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、停泊段、離軌著陸段和科學(xué)探測(cè)等6個(gè)階段。

　　2020年7月23日，天問(wèn)一號(hào)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)飛向遙遠(yuǎn)深空。按照預(yù)先設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)軌道，天問(wèn)一號(hào)在浩渺無(wú)垠的太空中飛行了202天，飛行里程約4.75億千米，其間實(shí)施了1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正，終于在2021年2月10日成功實(shí)施火星捕獲，從地火轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入到環(huán)火軌道。

　　2月10日19時(shí)52分，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功實(shí)施火星捕獲，成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)“繞、著、巡”目標(biāo)的第一步。

　　進(jìn)入火星軌道后，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，于2月24日成功實(shí)施第三次近火制動(dòng)，進(jìn)入火星停泊軌道，開展了為期約3個(gè)月的環(huán)繞探測(cè)。

　　為什么在軌探測(cè)這么久？專家介紹，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在火星停泊軌道運(yùn)行，繞火期間一次次從首選著陸點(diǎn)烏托邦平原上空掠過(guò)。經(jīng)過(guò)預(yù)定著陸區(qū)上空時(shí)，天問(wèn)一號(hào)會(huì)利用中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、光譜儀等載荷設(shè)備對(duì)預(yù)定著陸區(qū)進(jìn)行詳查，主要探測(cè)預(yù)定著陸區(qū)的地形、地貌以及是否存在沙塵天氣等，為著陸巡視器安全著陸做好準(zhǔn)備。

　　“我們之前并沒(méi)有去過(guò)火星，也不掌握一手資料，因此這些數(shù)據(jù)的收集非常重要?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部火星探測(cè)器總體主任設(shè)計(jì)師王闖表示。

　　看點(diǎn)②: 登陸是火星探測(cè)最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要面臨三大難點(diǎn)?

　　此前不少媒體在報(bào)道天問(wèn)一號(hào)著陸的過(guò)程中，使用了“黑色7分鐘”的說(shuō)法。對(duì)此，國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言解釋，“7分鐘只是個(gè)約數(shù)，我國(guó)此次著陸過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)為9分鐘。這是因?yàn)樘靻?wèn)一號(hào)在實(shí)施火星捕獲時(shí)已有減速動(dòng)作，工程設(shè)計(jì)上是先環(huán)繞、再進(jìn)入，因此速度相對(duì)其他國(guó)家低一些，工程設(shè)計(jì)情況和進(jìn)入速度不同，所需時(shí)間也不太相同?！?/p>

　　但是，無(wú)論是7分鐘還是9分鐘，“進(jìn)入、下降、著陸”這一階段都是火星探測(cè)最關(guān)鍵和核心的環(huán)節(jié)。此前一些失敗的火星探測(cè)任務(wù)，大多是在這一過(guò)程中“折戟”失利。

　　登陸火星面臨三大難點(diǎn)：

　　首先是火星環(huán)境的不確知性，增加了著陸的不確定性?；鹦潜砻嬗幸粚酉”〉拇髿猓c月球和地球的環(huán)境截然不同?！霸虑驔](méi)有大氣，著陸過(guò)程完全靠反推發(fā)動(dòng)機(jī)減速，干擾因素少；對(duì)于地球的大氣環(huán)境，我們也有深入認(rèn)識(shí)。但我們對(duì)火星環(huán)境的了解非常有限，也沒(méi)有經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)，火星大氣稀薄且受季節(jié)、夜晝、火星風(fēng)暴等影響非常不穩(wěn)定；火星表面地形復(fù)雜，遍布巖石、斜坡、溝壑等障礙物；火星塵暴也較地球更為嚴(yán)重。這些都會(huì)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)?！惫⒀苑治?。

　　其次，著陸過(guò)程較為復(fù)雜，短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)動(dòng)作，不容半分差錯(cuò)。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器總設(shè)計(jì)師孫澤洲表示：“這個(gè)過(guò)程需要融合氣動(dòng)外形、降落傘、發(fā)動(dòng)機(jī)、著陸緩沖等多項(xiàng)技術(shù)才能實(shí)施軟著陸。每個(gè)環(huán)節(jié)都必須確保精準(zhǔn)無(wú)誤，差一秒都可能造成整個(gè)任務(wù)的失敗。”

　　第三，距離遙遠(yuǎn)，只能靠著陸巡視器全程自主控制?！爸憰r(shí)，火星和地球的距離達(dá)到3.2億千米，無(wú)線電信號(hào)一來(lái)一往大約35分鐘，地面不可能直接遙控，所有動(dòng)作觸發(fā)條件的測(cè)量、判斷，所有動(dòng)作的執(zhí)行，包括最后階段通過(guò)拍攝著陸區(qū)的圖像并選擇滿足條件的著陸點(diǎn)，均是自主測(cè)量、自主判斷、自主控制?！惫⒀员硎?。

　　看點(diǎn)③: 驚心動(dòng)魄的9分鐘，環(huán)環(huán)相扣、步步驚心?

　　面臨如此艱巨的挑戰(zhàn)，天問(wèn)一號(hào)又是如何漂亮利索地完成整個(gè)過(guò)程的？

　　5月15日凌晨1時(shí)許，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在火星停泊軌道實(shí)施降軌，機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道。隨后，環(huán)繞器與著陸巡視器開始器器分離，繼而環(huán)繞器升軌返回停泊軌道，著陸巡視器運(yùn)行到距離火星表面125千米高度的進(jìn)入點(diǎn)，開始進(jìn)入火星大氣。

　　天問(wèn)一號(hào)的降落過(guò)程歷時(shí)約9分鐘，大致分為氣動(dòng)減速段、降落傘減速段和動(dòng)力減速段。9分鐘內(nèi)，著陸巡視器要完成10多個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都要一氣呵成，而且只有一次機(jī)會(huì)，可以說(shuō)是環(huán)環(huán)相扣、步步驚心。

　　王闖告訴記者，天問(wèn)一號(hào)在進(jìn)入火星大氣層以后首先借助火星大氣，進(jìn)行氣動(dòng)減速。“這個(gè)過(guò)程中克服了高溫和姿態(tài)偏差，氣動(dòng)減速完成后天問(wèn)一號(hào)的下降速度也減掉了90%左右?！?/p>

　　緊接著天問(wèn)一號(hào)打開降落傘，進(jìn)行傘系減速，主要有降落傘展開、拋大底、拋傘拋背罩幾個(gè)步驟?！俺羲俳德鋫闶菧p速技術(shù)中難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，天問(wèn)一號(hào)在使用降落傘時(shí)要保證在超音速、低密度、低動(dòng)壓下打開，這個(gè)過(guò)程存在開傘困難、開傘不穩(wěn)定等問(wèn)題?！蓖蹶J介紹，“火星大氣非常稀薄，要求探測(cè)器的氣動(dòng)外形具備高效的減速性能，同時(shí)需要更輕量化的防熱材料?！?/p>

　　當(dāng)速度降至100米/秒時(shí)，天問(wèn)一號(hào)通過(guò)反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，由大氣減速階段進(jìn)入動(dòng)力減速階段。在距離火星地表100米時(shí)天問(wèn)一號(hào)進(jìn)入懸停階段，完成精避障和緩速下降后，著陸巡視器在緩沖機(jī)構(gòu)的保護(hù)下，抵達(dá)火星表面。

　　孫澤洲表示，火星探測(cè)器繼承了嫦娥三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)成熟的懸停、避障技術(shù)，以確保安全著陸?？蒲腥藛T還在國(guó)際上首次采用了基于配平翼的彈道—升力式進(jìn)入方案，以降低火星大氣參數(shù)不確定性帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高適應(yīng)能力。

　　看點(diǎn)④: 著陸區(qū)選擇兼顧工程與科學(xué)目標(biāo)，成果產(chǎn)出值得期待?

　　天問(wèn)一號(hào)著陸巡視器平穩(wěn)著陸，著陸地點(diǎn)為什么要選擇在火星北半球的烏托邦平原？

　　“火星上的地形地貌從分布上來(lái)看，北半球多為平原，南半球大多是山地，坑洼不平，因此國(guó)際上有著陸計(jì)劃的火星探測(cè)任務(wù)，大多數(shù)選擇著陸在北半球?！惫⒀越榻B，基于工程實(shí)現(xiàn)“安全著陸與巡視”的要求，科研人員識(shí)別了高度、坡度、巖石、風(fēng)速、塵土、能源等約束要素，在要求的北緯5度—30度區(qū)間內(nèi)，選了兩個(gè)區(qū)域。“首先是希望海拔高度低一點(diǎn)，這樣著陸過(guò)程長(zhǎng)一點(diǎn)，探測(cè)器更從容一些。其次是希望地勢(shì)平緩，石塊分布盡可能少一點(diǎn)，風(fēng)速也盡可能小一點(diǎn)，要盡量避開沙塵暴。另外，要選擇白天降落，保證著陸后太陽(yáng)能帆板打開，順利獲取能源保障?！?/p>

　　烏托邦平原南部預(yù)定區(qū)域，位于古海洋和古陸地的交界處，科學(xué)家認(rèn)為該地方有很高科學(xué)價(jià)值，很有可能會(huì)取得意想不到的科學(xué)成果。此外，預(yù)選著陸區(qū)位于埃律西昂火山西面，存在與火山活動(dòng)和演化有關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。

　　看點(diǎn)⑤: “祝融號(hào)”火星車，將在火星展開巡視探測(cè)?

　　火星探測(cè)是一項(xiàng)科學(xué)探索性強(qiáng)的工程，到達(dá)火星后獲取有效的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于科學(xué)研究來(lái)說(shuō)非常重要。

　　天問(wèn)一號(hào)成功著陸后，進(jìn)入艙將著陸信息通過(guò)環(huán)繞器轉(zhuǎn)發(fā)地面。進(jìn)入艙和“祝融號(hào)”火星車先后完成坡道及太陽(yáng)翼天線展開，火星車在第一時(shí)間將成功展開的消息傳回地面。一切準(zhǔn)備就緒后，火星車將自主駛離著陸平臺(tái)，抵達(dá)火星，開始新的征程。

　　“祝融號(hào)”以3天為一個(gè)工作周期。受到火星苛刻的環(huán)境影響，火星車每次只能“工作”一兩個(gè)小時(shí)，工作內(nèi)容主要包括環(huán)境感知、科學(xué)探測(cè)、數(shù)據(jù)下傳等。

　　火星車上搭載了6臺(tái)載荷，分別是多光譜相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、火星表面成分探測(cè)儀、火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀、火星氣象測(cè)量?jī)x、地形相機(jī)。它們共有五大使命，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，將帶來(lái)火星的第一手資料。其中，與氣象有關(guān)的研究項(xiàng)目將收集溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場(chǎng)和重力場(chǎng)。

　　如果只看圖片，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無(wú)異。但火星上的風(fēng)速可達(dá)180米/秒，幾乎是地球上特大臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的3倍還多。強(qiáng)烈的風(fēng)速會(huì)掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴，對(duì)火星車的生存造成嚴(yán)峻考驗(yàn)。面對(duì)這樣的情況，設(shè)計(jì)師使用了一種新型材料，這種材料不易沾上灰塵，即使沾上，也可以通過(guò)振動(dòng)將其抖落。

　　火星表面還密布著石塊等障礙物，火星車的行駛需要更加“小心翼翼”。王闖透露，在航天五院的實(shí)驗(yàn)室中，有一臺(tái)一模一樣的火星車。當(dāng)遇到復(fù)雜路況時(shí)，地球上的火星車將對(duì)火星路況進(jìn)行模擬行駛，確認(rèn)無(wú)誤后才會(huì)發(fā)出指令。

　　天問(wèn)一號(hào)是我國(guó)“行星探測(cè)重大工程”整體規(guī)劃中的第一次任務(wù)，后續(xù)還規(guī)劃了小行星探測(cè)、火星取樣返回、木星系及行星穿越探測(cè)。

　　未來(lái)的深空探測(cè)，更加值得期待。

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