作者：郭超凯
北京时间5月15日 ， 天问一号着陆巡视器稳稳地降落在预选着陆区——火星北半球的乌托邦平原 ， 中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功 。
天问一号探测器于2020年7月23日发射 ， 在今年2月到达火星 ， 成功被火星捕获 。 经过3个月的养精蓄锐 ， 天问一号已在近日实施降轨 ， 完成着陆巡视器与环绕器分离 。 在成功软着陆于火星表面后 ， 不久中国首辆火星车“祝融号”也将驶离着陆平台 ， 开展巡视探测等工作 。
此次天问一号登陆火星有什么难点？“祝融号”火星车会以何种方式探索火星？背后又有什么故事呢？
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着陆火星经历“黑色九分钟”
被火星成功捕获以后 ， 天问一号经过几个月的充分准备 ， 终于开启了第二阶段任务——“着陆” 。 火星的北半球多平原 ， 南半球多山地 ， 因此此次天问一号着陆巡视器软着陆火星的地点 ， 就选择在火星北半球的乌托邦平原南部 。
【火星|天问一号：火星开门吧，我到啦！】整个降落过程大致分为进入——减速——软着陆三步 ， 简称为EDL（Entry ，Descent ， Landing） 。据中国航天科技集团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 。 ”王闯介绍 ， 在距离火星表面100米时 ， 天问一号进入悬停阶段 ， 完成避障和缓速下降后 ， 着陆巡视器在缓冲机构的保护下 ， 抵达火星表面 。 总的来说 ， 整个过程天问一号要在9分钟内从约2万千米/小时的速度降至到0米/小时 。
值得一提的是 ， 虽然此前中国已有月表着陆经验 ， 但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） ， 火星环境比月球更复杂；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 ， 因此在整个着陆过程 ， 相距遥远的地球科学家们来不及做任何处置 ， 只能靠天问一号自主完成这“黑色九分钟” 。
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13个载荷助天问一号探索火星
成功着陆后 ， 天问一号“绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步 。 着陆后 ， 天问一号进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面 。 进入舱和“祝融号”火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开 ， “祝融号”火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面 。 一切准备就绪后 ， 火星车将自主驶离进入舱 ， 抵达火面 ， 开始新的征程 。
探测火星不仅是工程任务的突破 ， 更是行星科学领域的突破 。 除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外 ， 天问一号整体上携带了13个科学载荷 ， 其中7个在火星上空的环绕器上 ， 6个分布在火星车上 。
据介绍 ， 天问一号环绕器搭载的7个科学载荷分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪 。 而6个分布在火星车上的科学载荷 ， 则分别为多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机 。
据专家介绍 ， 这些科学载荷有着五大使命 ， 主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究 ， 将给中国带来火星的第一手资料 。其中 ， 与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据 ， 并研究火星的磁场和重力场 ， 这些也将解答大众的好奇 ， 如火星究竟是什么样的气候 。
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“祝融号”如何“荒野求生”？
此前 ， 中国首次火星探测任务总设计师张荣桥曾对外公布“祝融号”火星车的配置细节：火星车质量约240公斤 ， 为6轮独立驱动 ， 携带6台载荷 ， 其太阳翼呈蝴蝶翼形 。 因此有人形象地将“祝融号”火星车比喻为“火星蝴蝶” 。
火星环境是出了名的恶劣 ， 要想完成使命 ， “祝融号”火星车必须足够强大 ， 努力“活下来” 。 中国曾数次造访月球 ， 积累了宝贵经验 。 但月球与火星最大的不同 ， 在于月表近乎真空 ， 而火星有大气层 ， 这大大增加了探索火星的难度 。
从以往火星探测器拍摄的图片来看 ， 火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异 。 但事实上 ， 火星上的风速可达每秒180米 ， 这几乎是地球上特大台风风速的三倍多 。 这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘、石块 ， 形成特大沙暴 。 让“祝融号”火星车的“眼睛”蒙尘 ， “翅膀”不再灵活 。 面对这种情况 ， 设计师使用了一种新型材料 ， 这种材料不易沾上灰尘 ， 即使沾上也可以通过振动将其抖落 。
火星表面还密布着石块等障碍物 ， 这就使得火星车的行驶需要更加“小心翼翼” ， 以免被障碍物卡住造成操作的迟滞 。 那如何才能火星车的每一步都走得更加稳妥呢？设计师们也想出了应对之策 。 在中国航天科技集团五院的实验室中 ， 有一台与“祝融号”一模一样的火星车 。 当“祝融号”在火星上遇到复杂路况时 ， 地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶 ， 确认无误后才会发出指令 。
按照计划 ， 在紧张工作90个火星日后 ， “祝融号”火星车将结束巡视探测工作 ， 天问一号环绕器也将进行轨道调整 ， 从而开展环绕科学探测 。
“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶 ， 偶尔扇动几下翅膀 ， 可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风 。 ”曾有学者用上述语言形容“蝴蝶效应” 。 如今 ， “祝融号”这只全球瞩目的“火星蝴蝶”已成功着陆火星 ， 后续又会带给我们什么意外惊喜 ， 让我们一起拭目以待吧 。
文中配图来源均为：中国航天科技集团五院
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