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地球|和地球“失联”9分钟，一切靠自己！天问一号祝融火星车发来“问候”

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5月15日 ， 中国首枚火星探测器“天问一号”成功着陆火星北半球的乌托邦平原 ， 将带领“祝融”号火星车展开火星探测之旅 。 我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功 。 我国成为继美国之后 ， 世界上第二个成功地将火星车降落在火星表面的国家 。
落火成功的过程中 ， “天问一号”除了经受住“恐怖9分钟”的考验 ， 还有着怎样的“奋斗史”？采访人员特邀南京航空航天大学航天学院闻新教授 ， 解读“天问一号”“打卡”火星的技术含量 。
关于火星 ， 有这些“为什么”——
【我们为什么要探索火星】
或许是人类下一个栖息之所
伴随着“天问一号”的成功登陆 ， “为什么要探索火星”迅速成为了微博网友们热议的话题 。 网友们甚至开始讨论起未来的出行计划：如果未来去火星旅行 ， 你会去吗？
我们为什么选择探索火星 ， 闻新教授给出了答案：由于地球资源消耗与人口迅速增长带来的不和谐问题 ， 火星或许是人类下一个栖息之所 。
闻新告诉采访人员 ， 在太阳系行星中 ， 火星潜在的“宜居性”是独一无二的 。 “人们经过航天探索发现 ， 水星是最接近太阳的行星 ， 但是它白天气温高达430摄氏度 ， 更糟糕的是昼夜温差相差近600摄氏度；而金星不仅严重缺氧 ， 大气层还布满了硫酸云 ， 地表温度常年460摄氏度 。 ”闻新告诉采访人员 ， 除了水星、金星 ， 像木星等其他太阳系行星是气体行星 ， 根本没有外部地壳作为着陆点 ， 站上去会像踩到巨大棉花糖一样直接掉下去 。 这样一对比 ， 火星就更像一颗温柔可亲的希望之星了 。
火星怎样才能具备人类生存的环境？起码得有充足的氧气和水 。 有证据显示 ， 曾经的火星很可能和地球一样是个宜居的“天堂” 。 比如 ， 2008年NASA凤凰号着陆器在火星北极附近的浅层地下挖到了水冰；2018年欧空局火星快车号探测器的雷达数据表明 ， 火星南极冰下很可能有盐水湖存在 。 科学家们因此觉得 ， 改造火星 ， 让火星再一次变得有适宜的大气、有水 ， 似乎也不是没有可能 。
【为什么探索火星要飞10个月】
距离地球最远距离超过4亿千米 ， 还不能直线飞
自1960年10月10日第一次向火星发射探测器失败 ， 60年来 ， 人类从未停止对火星的探险脚步 。 闻新科普道 ， 和月球与地球相隔38万千米的距离相比 ， 火星与地球最近时的距离也要5500万千米 ， 这是与地月距离相比的一百多倍 。 “如果用飞行时长来算的话 ， 我们飞到月球需要2-3天；而即便是最佳飞行 ， 从地球飞到火星还需要大半年 。 ”而地球与火星之间最远时的距离 ， 更超过4亿千米 ， 但是 ， 火星探测真正的困难还不在于距离 。 由于地球和火星同时环绕太阳的运行 ， 所以从地球到火星 ， 不能直线飞 。 闻新告诉采访人员 ， 从地球到火星 ， 直观上看怎么走都可以 。 但为了节约成本 ， 目前火星探测器大多都是按照“霍曼转移轨道”飞行 ， 这种变换轨道的方式最省钱 ， 但其中也涉及更多次数、更高精度的轨道修正 。
从地球飞往火星的遥远旅途中 ， 探测器还需经历三个引力场的干扰 ， 它首先脱离地心引力 ， 离开地球进入环绕太阳运行的轨道 ， 此时的探测器将以太阳为近焦点做椭圆轨道运动 ， 接着进入火星的轨道 ， 即进入火星引力场被火星捕获 。
“天问一号”近10个月的“长征”都干了些啥——
【获取了我国首幅火星图像】
“天问一号”的发射 ， 要追溯到2020年7月23日12时41分 ， 我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场 ， 用长征五号遥四运载火箭将首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空 ， 飞行2000多秒后 ， 成功将探测器送入预定轨道 ， 开启火星探测之旅 ， 迈出了自主开展行星探测的第一步 。
“天问一号”探测器总重约5吨 ， 由轨道飞行器、着陆器和火星漫游车组成 。 它将实现对火星的“绕、着、巡” 。 根据预定的计划 ， 探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后 ， 到达火星附近 ， 通过“刹车”完成火星捕获 ， 进入环火轨道 ， 并择机开展着陆、巡视等任务 ， 进行火星科学探测 。
“天问一号”在距离火星约220万公里处 ， 还获取了我国首幅火星图像 。
【经历了四次轨道中途修正】
根据国家航天局公开的信息 ， 在飞行工作了9天17个小时 ， 距离地球超过300万公里后 ， “天问一号”于2020年8月2日7时整顺利完成了第一次的轨道中途修正 ， 继续飞向火星 。 此后 ， “天问一号”又陆续进行了三次轨道中途修正 ， 才有了如今“进轨”火星的顺利进行 。
为什么要进行中途修正？国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言介绍 ， 在地火转移轨道飞行过程中 ， 探测器会受到入轨偏差、控制精度偏差等因素影响 。 由于探测器长时间处于无动力飞行 ， 微小的位置速度误差会逐渐累积和放大 。
因此 ， 执行飞行任务时 ， 科研人员需要根据测控系统测定的探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差 ， 完成对应的探测器姿态和轨道控制 ， 确保探测器始终飞行在预定的轨道上 。 中途轨道修正的关键在于修正时机的选择以及每次修正的实施精度 。
【一脚“刹车”环绕火星三个月】
今年除夕 ， “天问一号”“踩”了一脚“刹车” ， 进行近火制动 ， 开启了环绕火星之旅 。 闻新教授告诉采访人员 ， 这一脚“刹车”事关探测器“生死” 。 “天问一号”越靠近火星 ， 飞行的速度就越“讲究” ， 再也不能是“埋头苦飞”的状态 。 “与月球不同的是 ， 火星还存有稀薄的大气 ， 这会让飞船面临巨大的阻力 。 ‘天问一号’只有顺利被火星引力所捕获 ， 进入环绕轨道 ， 才能为后续的着陆火星打下基础 。 ”如果还是原来“可劲儿飞”的状态 ， “天问一号”搞不好会出现飞离火星的情况 。 但需要注意的是 ， 如果这脚“刹车”踩狠了也不行 ， 探测器制动的点火时间过长 ， 会导致速度下降过多 ， 到那时 ， 便会有一头撞上火星的情况发生 。
有读者注意到 ， “天问一号”从进轨到着陆 ， 花了三个月的时间 。 专家告诉采访人员 ， 这三个月“天问一号”可没闲着 ， 它都在兢兢业业进行着科学探测 ， 对着陆地区先进行一波“摸底” ， 既能丰富科学数据 ， 又能让将来的着陆工作更有保障 。 “天问一号”配有中、高分辨率的相机 ， 更携带着光谱仪 ， 有了它们 ， 就能摸清楚着陆区的地貌 ， 甚至能观测着陆区的气象条件 。
经历“落火”的恐怖9分钟是怎样一种体验——
【和地球“失联” ， 一切“靠自己”】
微博“天问一号火星车祝融”对于自己着陆火星的难度有着拟人化的描述：
登陆火星最大的难点在于全自动软着陆 ， 着陆过程中没有地面信号 ， 跟地球完全“失联” ， 要依靠我自己完成 。 根据历史数据 ， 我进入大气时的速度约4.9km/s ， 最高温度达2100℃ 。 接下来9分钟内我要降速90% ， 然后启动变推发动机 ， 开始动力下降 。 最终在抵达火星表面100米的高度完成悬停动作 ， 此时我的垂直下落的速度应该为0 。 然后进入平移阶段 ， 观察一下再确定着陆位置 。 整个过程 ， 我必须冷静专注 ， 随机应变 ， 不能慌张！
这一段旅程 ， 被称作航天器的“恐怖9分钟” 。 曾有科学家形象地比喻 ， 探测器进入火星轨道的难度 ， 相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样 。 许多火星探测器都在这一阶段功亏一篑 。
这一次的“落”火 ， 是火星探测“绕、落、巡”三项目标任务中 ， 最难的一步 。 此前全世界已进行的21次火星着陆任务中 ， 只有9次成功 。 闻新教授告诉采访人员 ， 火星地形复杂 ， 气流也不平静 ， 最大的威胁是沙尘暴 。 电影《火星救援》中形象地描述了火星上沙尘滚滚、遮天蔽日的恶劣天气 。 “一方面 ， 你必须确认探测器的任何一个设备和器件不会在这个环境下发生故障 。 另一方面 ， 探测器在火星着陆的技术很复杂 ， 每个环节都不能有闪失 。 ”
“之所以叫‘恐怖9分钟’ ， 是因为整个过程“天问一号”都需要自主控制 ， 由于地球和火星距离遥远 ， 五月期间的通信时延为10分钟以上 。 也就是说从地面发出一条指令 ， “天问一号”要到10分钟后才能收到 ， 靠地面给出指令根本不可能 。 ”此时 ， 航天器以什么姿态飞行 ， 什么时间点火、工作多长、什么时候关机 ， 出现问题如何处置 ， 人工无法直接干预 ， 都需要探测器“自行安排” 。
闻新介绍 ， 火星探测器的着陆过程十分复杂 ， 例如在首当其冲的减速问题上 ， 超音速降落就是难度最大的一个环节 ， 需要克服降落伞开伞困难、不稳定等一系列难题 ， 此外 ， 由于我国是首次实施火星探测任务 ， 相当于到了一个完全未知的环境 ， 难度可想而知 。
总的来说 ， 整个过程中 ， “天问一号”在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至0米/小时 ， 每个环节都必须确保精准无误 ， 差一秒都可能造成整个任务的失败 。
根据公开发布的信息 ， 15日凌晨1时许 ， “天问一号”探测器在停泊轨道实施降轨 ， 机动至火星进入轨道 。 4时许 ， 着陆巡视器与环绕器“告别” 。 “天问一号”的EDL之旅 ， 就从这里开始 。 （着巡器着陆火星的过程 ， 总共分三步：第一步是“进入” ， 第二步是“下降” ， 第三步是“着陆” ， 把它们的英文首字母连起来就叫“EDL”） 。
地球和火星之间距离太远 ， 而着陆过程又太短暂 ， 加剧了任务的艰难程度 。
【为什么着陆地点选择了乌托邦平原】
“天问一号”在火星的着陆地点 ， 是火星最大的平原——乌托邦平原 。 除了名字好听之外 ， 乌托邦平原作为适合着陆的地点 ， 还有着多重原因：
首先是因为工程风险低 。 火星南北半球的地形地貌、地质构造等差异巨大——火星南部为古老高地 ， 坑多 ， 60%的面积遍布陨石坑；而乌托邦平原所在的火星北部 ， 是被火星熔岩填平的低矮平原 ， 地形平缓 ， 陨石坑较少 ， 且地质年龄较轻 ， 地壳较薄 。
不仅如此 ， 乌托邦平原有着很高的科学价值 。 长期以来 ， 人们最关注的是火星上是否存在生命 。 科研人员分析 ， 乌托邦平原很可能是远古火星海洋的所在地 ， “天问一号”着陆的地点在古海洋和古陆地的交界处 。 最新的科学探测发现 ， 在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方 ， 存在大量地下水冰 ， 储水量相当于地球上面积最大的淡水湖 。 想知道火星上到底有没有生命 ， 乌托邦平原是一个绝佳的探测点 。
未来“天问一号”将如何工作——
【“套娃”式登陆 ， 将在火星工作90天】
到了火星上 ， “天问一号”需要做些啥？闻新教授告诉采访人员 ， “天问一号”的升空过程类似于一个“套娃” ， 进入太空后的飞行都由轨道飞行器来完成 ， 而一旦接到“着陆”的指令 ， “藏”在轨道飞行器中的着陆器便会与轨道飞行器分离 ， 释放降落伞 ， 按照科研人员预设的地点定点着陆 。 此后 ， 携带探地雷达的火星漫游车将从着陆器中滑出 ， 在火星上工作整整90天 。
“天问一号”长时间的飞行 ， 正是为这90天的工作进行的漫长“铺垫” 。 在火星上 ， 火星漫游车会传输回相关的数据 ， 科学家将对火星的大气和土壤进行分析 ， 研究火星岩石和土壤的成分 ， 还会寻找水源和生命迹象 。 当然 ， 拍照肯定是少不了的 ， 捕获火星的最新照片 ， 我们便能更好地研究火星“长啥样”啦 。
链接：火星车为啥叫“祝融”
在2021年中国航天大会开幕式上 ， 中国首个火星车名称正式揭晓 。 经全国征名、专家评审、网络投票等层层遴选 ， 最终“祝融号”脱颖而出 。 祝融在中国传统文化中被尊为最早的火神 ， 象征着我们的祖先用火照耀大地 ， 带来光明 。 首辆火星车命名为“祝融” ， 寓意点燃我国星际探测的火种 ， 指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越 。 “祝融号”火星车的高度有1米85 ， 重量达到240公斤左右 。 设计寿命为3个火星月 ， 相当于约92个地球日 。 “祝融号”火星车将在火星上开展地表成分、物质类型分布、地质结构以及火星气象环境等探测工作 。

地球|和地球“失联”9分钟，一切靠自己！天问一号祝融火星车发来“问候”
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5月15日晚 ， @天问一号祝融火星车 发布第一条微博 ， 向地球问好 ， 全文如下：
火星到站！
地球的朋友们 ， 大家好：我是祝融号火星车 ， 今天 ， 我搭乘着“着陆器”一同抵达了火星表面 ， 着陆地点位于火星北半球乌托邦平原南部预选区 。 这一刻 ， 让大家久等了！
今天凌晨1时许 ， 天问一号探测器在停泊轨道实施降轨 ， 机动至火星进入轨道 。 4时许 ， 着陆巡视器与环绕器分离 ， 历经约3小时飞行后 ， 进入火星大气 ， 经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲 ， 于今天上午7点18分成功软着陆于预选着陆区 。 两器分离约30分钟后 ， 环绕器进行升轨 ， 返回停泊轨道 ， 为着陆巡视器提供中继通信 。
目前全世界已进行的21次火星着陆任务中只有9次成功 ， 难度系数极高！安全着陆火星 ， 除了要选择地形平坦的着陆区 ， 还要选择合适的天气状况 ， 避免被火星的巨大沙尘暴所干扰 。 在经过三个多月的绕火飞行后 ， 我终于找到了最佳着陆点 。 地质学家说 ， 我的软着陆区很可能是一个古海洋所在地 ， 有很高的科学价值 ， 很可能会取得意想不到的科学成果 。 但是 ， 怎样尽可能降低火星沙尘暴的影响呢？当然是惹不起 ， 躲得起呀！根据过去的火星气象数据来看 ， 火星沙尘活动集中在下半年 ， 北半球在春夏期间最为宁静 ， 选择在五月中旬着陆 ， 对我来说也最为稳妥！
目前 ， 我还在着陆巡视器内 ， 带着地形相机和多光谱相机、次表层探测雷达、磁场探测仪等6台科学载荷 ， 经过短暂调整后 ， 出仓并开展巡视探测 。 期待全方位了解火星 ， 并且回传珍贵的数据和照片给大家哦！
【地球|和地球“失联”9分钟，一切靠自己！天问一号祝融火星车发来“问候”】爱你们的 ， 祝融号！

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