地球|“天问一号”着陆火星，如何度过“黑色九分钟”？_着陆|火星|表面|探测器|天问

新京报快讯（采访人员李玉坤）5月15日，我国研制的“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。
下降速度多快？
9分钟内速度从2万千米/小时降为0米/时
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，简称为EDL（Entry ， Descent ， Landing）。据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/小时的速度降至到0米/时。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。 ”
器器分离有多危险？
稍有不慎就撞向火星表面
火星探测器“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。

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“祝融号”火星车火星表面工作想象图。航天五院提供
“这是一系列很关键的姿态和轨道机动，稍有不慎，探测器就可能被火星引力拉向火星表面，而由于通讯时延的存在，我们并没有办法实时获知探测器的状态并对异常情况进行干预。 ”环绕器副总设计师朱庆华说道， “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。 ”
实际上，明确了着陆器准确的着陆点后，探测器的一系列机动也就随之确定下来了。在探测器进行第一次降轨点火的3个小时前，设计师们已上注所有控制策略，策略中包含了对可能发生情况的应对。
实际过程中，探测器需要自主进行测量计算并作出判断，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。 ”
同时，设计师们也做了不同情况下的预案和对策。当环绕器通过自身的敏感器发现没有完成既定的动作时，会自主带着着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星，并在合适的时机再次选择执行两器分离的一系列动作。
如何保障通信？
环绕器成通信“中继站”
在此次的火星探测任务中，环绕器不仅仅是一辆星际“专车” ，它同样也是一座功能强大的通信“中继站” ，为火星表面巡视器与地球搭建通讯桥梁。
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的飞行运动情况下，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笑着说道。
近地卫星通常是长期对地稳定，使用全向天线，不会出现通讯链路中断的问题。而环绕器在环火飞行时与地球距离远，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。
“我们设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通讯链路中断，探测器就会‘原地打转’ ，并在这一过程中，使天线扫到地球，进而恢复通讯链路。这一过程也是环绕器自主实现。 ”软件设计师周誌元介绍道。
如今，环绕器依然在稳定环火飞行，成为了着陆巡视器与地球之间的通信桥梁，完成数据中继任务后，它也将全力开启自己的环火遥感之旅。
降落伞有何不同？
开伞条件比较特殊
“天问一号”火星探测器采用目前国际普遍使用的伞降减速方式，为安全着陆火星进一步减速。但在火星降落伞系统的设计、校核、仿真分析和试验验证方面，和其他国家还有诸多不同。
“天问一号”降落伞首次采用锯齿形盘缝带伞，匹配国内最大的航天器火工装置弹伞筒，创新了伞绳插接入艺，深化了降落伞充气过程及物伞系统动力学仿真，基于我国的条件开展了降落伞高空开伞试验、直升机投放强度试验等充分的试验验证，在试验方法和技术上航天科技集团五院508所也联合国内合作伙伴完全自主完成，拥有完全自主的知识产权。
“天问一号”采用一顶主降落伞、一次性充气展开减速的方案。降落伞是锯齿形盘缝带伞，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，有利于承力和确保稳定性。 “天问一号”着陆巡视器进入火星大气后在自身的气动外形下减速，降落伞打开后又将其进一步减速到约95m/s ，之后着陆巡视器进入悬停避障段。
火星降落伞的开伞条件比较特殊，主要体现在超声速、低密度、低动压开伞。针对火星降落伞的特殊开伞条件，在伞的设计研制中， 508所在从伞型的选择、设计参数的选取、材料的选用、局部结构的改进等方面，都采取了相应的特殊性措施。充分借鉴以往探空火箭相同伞型的经验，以及国外火星探测降落伞的成果，对盘缝带伞的设计参数进行了优化，首次使用了一些新研的特纺材料，并在伞绳连接等环节首次使用了插接工艺，相比缝纫工艺连接强度显著改善。
新京报采访人员李玉坤
【地球|“天问一号”着陆火星，如何度过“黑色九分钟”？】编辑应悦

地球|“天问一号”着陆火星，如何度过“黑色九分钟”？

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