驚心動魄9分鐘
文章來源：中國航天科技集團有限公司 發布時間：2021-05-26
5月15日7時18分，由航天科技集團研制的中國天問一號探測器穩穩降落在位于火星北半球的烏托邦平原上。
至此，我國首次火星探測任務順利度過了最為兇險的階段——從進入火星大氣層到著陸火星表面的“驚心動魄9分鐘”。
環火3個月
5月15日凌晨4時許，火星上空，天問一號探測器系統中的“兩兄弟”在做最后的告別——相伴295天后，環繞器和承載著“祝融號”火星車的著陸巡視器正式分離。
隨后，環繞器抬升了自己的軌道，迎來新的使命——為火星和地球之間架起通信橋梁。
此時，著陸巡視器獨自上路，它調整姿態，防熱大底朝前，沿著進入火星大氣層的軌道滑行，瞄準進入火星大氣層的狹窄“走廊”。
三小時后，它進入火星大氣，迎來整個火星探測任務的驚心動魄時刻。生死考驗后，它將代表中國完成首次著陸火星的壯舉。
“天問一號”距離家鄉3.2億公里，是走得最遠的中國遠行客。去年7月23日，它從海南文昌啟程，迄今已跋涉295天。
這些天里，它曾舉起自拍桿，拍下深空掠影，向祖國報告平安；也曾回望故土家園，拍下地月合影，遙寄思鄉之情。
最重要的，它先后多次修正前行軌道，更精準地朝火星奔去。
今年2月24日，它踩下了“史上最難”的太空剎車——通過3次近火制動，成功進入火星軌道，順利飛抵火星。在火星上空踩下的這幾腳剎車，分寸有多難拿捏？科學家說，就像從巴黎打出一個高爾夫球，讓它落進東京的某個球洞里。
到達火星上空后，“天問一號”沒有立即降落，而是環火飛行數月。
中國首次探測火星，最重要的是妥妥成功，因此，“天問一號”選擇了最穩妥的模式——“先繞后落”。
我國在“天問一號”探測任務之前，尚不掌握第一手火星環境資料，對火星的地形地貌、天氣環境等各方面情況尚不熟悉。在本次任務中，根據全球已公開的數據，在任務規劃中首先預選出一個首選著陸區以及一個備選著陸區，并通過環繞火星的方式對預選著陸地點進行探測。
在將近3個月的時間里，“天問一號”在火星停泊軌道上“兜圈”式飛掠，不停地鳥瞰著陸點——烏托邦平原。借助攜帶的相機和光譜儀，它看清了火星的地形地貌，監測到了火星沙塵暴的當季動向，也看到了著陸地區的坡度、凹坑等。
科研人員根據觀察到的最新情況，不停地完善火星著陸方案，避開惡劣的火星天氣，選擇一個“風和日麗”的日子實施火星著陸計劃。
自主闖險關
北京航天飛行控制中心，隨著“天問一號”兩兄弟分離，科研人員也進入了最后的忙碌時間。很快，著陸巡視器將迎來火星著陸的挑戰。其間，信號會被等離子鞘層切斷，“天問一號”將短暫失聯，所有的難關只能靠著陸巡視器自主去闖。
此刻的航天科技工作者就像一位丈夫，妻子即將進入產房，他等候在門外，能做的已經很少，但抑制不住興奮和緊張。
火星著陸素有“黑色7分鐘”的說法，最早起源于美國火星探測任務，揭示著陸過程的險象環生，具體耗時卻不盡相同。中國“天問一號”任務中，探測器從進入大氣到著陸火星，全程預計9分鐘。
火星稀薄的大氣屏障曾讓數個人類探測器殞命。一頭扎進不可知的大氣環境，是世界一半以上火星探測器著陸失敗的主要原因。天問一號在贏得榮譽之前，先要經受世所罕見的殘酷考驗。
事實上，我國雖未著陸火星，卻有類似的技術基礎。我國“神舟”系列飛船曾多次成功從太空返回地球，“嫦娥”系列探測器也曾多次實現月球軟著陸，這些都意味著我國已熟練掌握降落傘減速、動力反推減速等技術。
但這些技術能不能照搬到火星著陸上來？答案是否定的。
主要是因為火星大氣環境的特殊性。火星有一層稀薄的大氣，這使得火星著陸與登陸月球相比，不能僅僅采用動力反推的方式，還需增加氣動減速和傘系減速等環節，因而著陸控制更為復雜。而地球雖然也有大氣層，卻與火星不同。
根據目前掌握的資料，火星表面常有風沙和塵暴，會對著陸火星產生致命干擾，但對其具體運行規律卻知之甚少。
另一個難點在于，當火星探測進行到著陸這最為兇險的一步時，探測器與地球卻是完全失聯的。火星探測器總體主任設計師王闖介紹，首先，探測器高速再入時，和稀薄大氣積壓產生沖擊波，形成等離子鞘層，導致通信中斷；其次，因為火地距離3.2億公里，無線電信號一來一回要35分鐘，著陸過程卻只有短短幾分鐘，人根本來不及干預。
兩萬公里到零的降速
7時許，天問一號著陸巡視器飛向火星大氣層，“驚心動魄9分鐘”拉開序幕。此前人類21次嘗試著陸火星，美國取得8次成功，蘇聯火星三號著陸20秒后失聯，其他嘗試均告失敗。現在，中國隊來到賽道。
著陸巡視器快速沖向火星，時速高達2萬公里，約為“和諧號”高鐵時速的70倍。從火星上空到達火星表面，總共只有不到10分鐘，如何在這么短時間里把速度從2萬公里降到零？火星著陸的終極手段是降速。
“天問一號”任務火星著陸共分為4個階段：氣動減速段、傘系減速段、動力減速段、懸停避障與緩速下降段。火星著陸過程復雜、動作繁多，環環相扣、步步驚心，一招出錯、全盤皆輸。
第一階段為氣動減速段，火星既有的稀薄大氣與進入艙產生摩擦實現減速。著陸巡視器被裝在進入艙中，進入艙分為背罩和大底，大底是一個盾形結構，飛入大氣層時，大底斜向下對抗沖擊和燒蝕。
航天科技集團的研制團隊進行了大量風洞試驗，從積累基礎數據開始，最終完成了進入艙氣動外形和熱防護的研究、設計。
氣動減速階段有一個環節是展開配平翼，目的是減少探測器的晃動，給后續打開降落傘創造更好的條件。氣動減速過程克服了高溫和姿態偏差，約5分鐘減速后，著陸巡視器的下降速度也減掉了90%左右，降到每秒約460米。這時，著陸巡視器距離火星表面約11公里，著陸進入了第二階段——傘系減速段。
如果能夠順利打開降落傘，火星著陸就成功了90%。開傘過程很巧妙。降落傘裝在彈傘筒中，彈傘筒有單門冰箱大小，裝在進入艙背罩的正下方。收到控制系統發出的點火指令后，彈傘筒中的火藥點燃，產生的高壓燃氣推動傘包沖開筒蓋，飛出進入艙。隨后，降落傘以倒拉的方式展開。這頂降落傘是我國首次亮相的鋸齒形盤縫帶傘型，展開面積達到200平方米。很快，它充氣張滿，48根黃色傘繩拉得筆直。
著陸火星，我國要首次在超聲速、低密度、低動壓的條件下開傘，以往航天器的降落傘不適合在火星使用，要么是不能在超聲速下完成對降落傘的穩定充氣，要么是不能滿足低密度低動壓條件下的穩定性需求。針對火星探測任務，降落傘設計師首次設計使用了鋸齒形盤縫帶傘型，并采用了新研制的特紡材料，創新了傘繩插接工藝，提高了降落傘的強度與可靠性。
隨著紅白色巨型降落傘的展開，著陸巡視器下降變得更慢，隨后進入艙的大底拋開，承載著“祝融號”火星車的著陸平臺率先與火星打了照面。
“祝融”穩落火星
降落傘把速度降到每秒約95米，著陸巡視器距離火星表面1～2公里，此時，降落傘攜帶進入艙的背罩與著陸巡視器分離。“祝融”露出頭來，呼吸到了火星上的新鮮大氣。
但降落還沒有停止，驚心動魄時刻并未結束，此時，推進系統開始擔綱主力，火星著陸進入第三個階段——動力減速段。
天問一號著陸巡視器推進分系統主任設計師韓泉東介紹，著陸巡視器上配置了1臺7500牛變推力發動機和26臺姿控發動機。
其中，7500牛變推力發動機安裝在著陸平臺的正下方，為該階段減速提供主要動力；8臺250牛發動機方向與主發動機一致，配合主發動機實施減速；8臺水平安裝的250牛發動機可用于橫向平移；其余姿控發動機均用于精確姿態控制。
在多臺發動機的作用下，著陸下降速度從每秒約95米降至每秒約1.5米。
距離火星表面100米時，著陸巡視器懸停了下來，但還不是休息的時候，火星著陸過程進入到最后一個階段——懸停避障與緩速下降段。
人類探索火星的減速方式大致相似，但到了最后一步，距離火星咫尺之遙時，方式開始多樣起來。綜觀以往，最后一步大致可分為氣囊彈跳式、反推著陸腿式和空中吊車式。氣囊彈跳式適合小重量探測器著陸要求，反推著陸腿式可滿足重量較大的探測器在火星軟著陸要求，空中吊車式可滿足重量更大的探測器軟著陸要求。
我國天問一號著陸巡視器采用的是反推著陸腿式在火星表面軟著陸，這同我國探月工程嫦娥三號和嫦娥四號著陸月面的方式類似。懸停在空中后，著陸巡視器搭載的微波測距測速敏感器、光學相機等6臺儀器都同時開啟，對火星表面進行觀察和分析，判斷出火星表面哪里更平整，在哪里“落腳”更安全。
這一步同樣關鍵，如果著陸地點選不好，前面所有努力或許都會付諸東流。此時，在推進系統提供的連續可調的軸向推力和強勁的橫向推力作用下，著陸巡視器尋找最優著陸點，選擇更加平坦的地形，確認最終著陸位置，實施緩速下降。
7時18分，4條著陸腿與火星表面第一次親密接觸。觸地后，帶有緩沖裝置的4條著陸腿有效抵擋了著陸瞬間的沖擊力，在與推進系統共同作用下，重1.3噸的著陸巡視器穩穩地落在火星烏托邦平原南部的預定著陸區域。
闖過“驚心動魄9分鐘”，中國首個火星探測器平安抵達火星表面。從上空俯瞰，“祝融號”像一只展翅的大鵬，駛下著陸平臺，在火星表面軋下第一道“中國印”。
【責任編輯：家正】
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