环绕器 “天问一号”着陆火星背后
“天问一号”着陆火星背后
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“天问一号”下降速度有多快？器器分离有多危险？如何保障通信？降落伞有何不同？5月15日，“天问一号”火星探测器成功着陆火星乌托邦平原，中国航天再次创造探索宇宙的里程碑。采访人员专访航天五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯、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、环绕器副总设计师朱庆华、GNC系统主任设计师聂钦博、软件设计师周誌元等相关专家，解答“天问一号”成功着陆背后的秘密。
1 下降速度多快？
9分钟内速度从2万千米/小时降为0
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。航天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100m/s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/小时的速度降至0。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，火星表面大气的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复杂；另一方面火星离地球距离更加遥远，通信时延单程达到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“未知九分钟”。
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，类似这些参数，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。”
2 器器分离有多危险？
稍有不慎就撞向火星表面
“天问一号”包括环绕器和着陆巡视器两部分，为实现着陆巡视器准确进入火星着陆轨道，环绕器需要首先在携带着陆巡视器的情况下控制到撞击火星的轨道，实施两器分离后，环绕器需要迅速抬升轨道，而着陆巡视器则进入火星大气层。这个分离前后的控制需要7个小时，环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”，需要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，而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。
环绕器副总设计师朱庆华说：“可以说，器器分离的过程是我们控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。”
【 环绕器|“天问一号”着陆火星背后】每个环节都必须精准无误，分秒不能差，方案设计师王卫华打了个比方：“这就好比在室外，距离标准篮筐980米进行投篮，还必须事先考虑到投篮的角度、时机、投球力度，以及篮球自身旋转运动、风速和风向外部环境等种种因素的影响。”
3 如何保障通信？
环绕器成通信“中继站”
升轨后的环绕器并不是大家想象中“卸载”后的一身轻松，此刻它需要迅速肩负起对火星表面进行遥感探测的任务，同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球。在距离地球2.93亿公里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还在不断运动的情况下，时刻保持住瞄准状态。
据介绍，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‘八面玲珑’了。”GNC系统主任设计师聂钦博说。
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，对可能发生的通讯链路中断做出预案。
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