成功“落火”的背后 “天问一号” 如何度过“黑暗9分钟”

着陆火星分几步？5月15日，航天科研人员在北京航天飞行控制中心监测“祝融号”火星车工作情况，研究传回的火星地面高清图片

2021年5月15日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，成功“落火”。在太空中长途跋涉295天，天问一号一路走来经历了哪些激动人心的时刻？这次着陆有多不容易？着陆火星后还有哪些使命和看点？

295天 有哪些激动人心的时刻

深情回望，拍摄地月合影

2020年7月27日，环绕器在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了清晰地月合影。在这幅黑白合影图像中，地球与月球一大一小，均呈新月状，在茫茫宇宙中交相辉映。

深空自拍，五星红旗闪耀太空

2020年10月1日，国家航天局发布了天问一号探测器飞行图像，图上的五星红旗光彩夺目，呈现出鲜艳的中国红，这是我国探测器采用分离测量传感器完成首次深空自拍。

首拍火星，

成功获取中国首幅近火图像

2021年2月5日，国家航天局发布了天问一号在距离火星约220万公里处，获取的首幅火星图像。本次成像采用环绕器高分辨率相机的黑白成像模式。

“天问一号”的火星着陆点是乌托邦平原，这个位置的选择是有讲究的。

为何选择乌托邦平原？

地形平缓

可能存在大量地下水冰

乌托邦平原位于火星北半球，是火星上面积最大的平原。火星南、北半球的地形地貌、地质构造、表面及次表面岩石矿物等差异巨大。火星南部为高地，这些高地60%的面积遍布着“瘢痕累累”的陨石坑。而火星的北部，则是被火山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，是更理想的降落地。

另外，有关乌托邦平原，还有一个最新的科学探测发现有待进一步证实。那就是在乌托邦平原距离地面1到10米的浅表底层下方有大量地下水冰存在，储水量相当于地球面积最大的淡水湖——苏必利尔湖。火星地下有水这种物质，是否意味着火星存在或存在过生命？是否意味着火星是地球人的未来？这些问题的答案都有赖“天问一号“的深入探测。

着陆火星过程如何？

9分钟内

时速从2万千米降到0

被火星成功捕获以后，天问一号经过几个月的养精蓄锐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，此次火星软着陆的地点就选择在火星北半球乌托邦平原的南部。

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了90%左右。

紧接着天问一号打开降落伞降速，当速度降至100米每秒时，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，抵达位于火星东经109.9°北纬25.1°的着陆点。

总的来说，整个过程天问一号在9分钟内将约2万千米每小时的速度降到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。

专家告诉记者，一方面火星表面存在大气，因此火星比月球表面有更复杂的环境；另一方面火星离地球距离更加遥远，通信时延达到20分钟左右，因此整个着陆过程相距遥远的地表来不及做任何处置，只能靠天问一号自主完成，经历“生死九分钟”

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，天问一号是我国首次火星探测任务，对火星的环境，特别是大气等参数，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，难度和挑战可想而知。

“黑暗9分钟”有多危险？

全球40多次火星探测任务中

这是第10次安全度过

在此次“天问一号”成功着陆火星前，曾有专家表示，世界上40多次火星探测任务中，能够安全度过这9分钟的仅有9次。

作为着陆巡视器的主发动机，由航天科技集团第六研究院研制的7500N变推力发动机是动力减速环节的主要工具，使天问一号实现“最后一脚”稳准刹车。

天问一号采用的是由液体火箭发动机提供反推力的方式来实施最后的减速，此方法已在嫦娥三、四、五号探测器落月过程中连续三次成功实施，天问一号着陆巡视器的7500N变推力发动机正是落月用变推力发动机的2.0版。

“之所以从1.0升级到2.0，是因为火星表面软着陆的难度升级了。”航天科技集团六院院长王万军说，火星表面软着陆的另一个难点在于，月球表面近似真空，而火星表面有一层稀薄的大气。在降落过程中，着陆器与火星表面的大气会剧烈摩擦，为了防止被“烧糊”，着陆器上增加了一个防热大底，原本可以“伸出去”的发动机被“兜起来”了。有限的舱体空间限制着发动机的尺寸，天问一号变推力发动机的高度比嫦娥三号变推力发动机要缩小超60%，推力等主要性能指标却保持不变，“小个子”要爆发出“大能量”，这意味着发动机必须更结实。天问一号能携带“乘客”的总重量是有限的。科研人员从发动机的原理入手，按照任务的需求和特点，对系统参数和总装布局进行了优化，既保证了功能，发动机重量还减少了2/3。

携带6种科学载荷

“祝融号”还有哪些难关要闯

成功着陆后，“绕、着、巡”的串联任务终于进行到最后一步。首先，着陆器将着陆信息通过环绕器转发地面，先后完成坡道及太阳翼天线展开，火星车在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切就绪后，祝融号火星车将自主驶离着陆器，抵达火星表面，开启新的征程。

“天问一号”和“祝融号”

共有五大使命

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。除了常规的通讯、能量来源（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种科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，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。6台分布在火星车上，分别是多光谱相机、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。

它们共有五大使命，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，将给我国带来探测火星的一手资料。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，这些也将解答大家的疑惑——火星究竟是什么样的气候。

后续，除了火星车要在火星表面进行巡视探测外，天问一号环绕器也将继续工作。天问一号探测器副总指挥张玉花告诉记者，环绕器将在完成着陆过程的中继通信任务后，在周期为两个火星日的停泊轨道上运行一圈，之后在近火点实施变轨机动，将轨道变为周期为三分之一个火星日的中继轨道，这样一个火星日内，环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信，为后续的巡视探测任务提供信息传输服务。

探火和探月有何不同？

祝融号得先存活下来

火星的环境是出了名的恶劣，要想完成使命，火星车首先得存活下来。这就需要祝融号足够强大。

中国曾数次造访月球，积累了宝贵的经验。但月球与火星最大的不同，便在于月表近乎真空，而火星有大气层，这大大增加了探测火星的难度。

如果只是看图片，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。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还多。狂风会掀起大量的沙尘、石块，形成特大沙暴，让祝融号的眼睛蒙尘、翅膀不再灵活。

面对这样的情况，设计师们使用了一种新材料，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。

那么如何让火星车的每一步都走得更加稳妥呢？在北京的实验室中，有一台一模一样的火星车。当在火星上遇到复杂的路况时，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，90个火星日后，火星车将结束巡视探测工作，环绕器也将进行轨道调整，从而开展环绕科学探测。

火星与地球有“时差”吗？

火星的一天比地球长40分钟

火星的一天一夜，和地球一样是24小时吗？中国科学院国家授时中心研究员童明雷告诉记者，通俗来说，星球自转一周为一天。科学家虚构了“平太阳”这样一个参照点，其运行速度等于太阳在黄道面运行的平均速度，平太阳的连续两次上中天，则成为一个平太阳日。

太阳系的行星在自转的同时，还都围绕太阳做公转运动，因此地球相对于恒星背景的运动才更加反映地球的自转。以恒星为参考，春分点连续两次上中天的时间间隔，则为一个恒星日。

因此，按照地球上定义的时间尺度，火星上的一个平太阳日为24小时39分35.244秒，地球的平太阳日则是24小时，两者之间差距39分35秒多；在更反映自转周期的恒星日方面，火星一个恒星日为24小时37分22.663秒，地球则为23小时56分4.099秒，两者之差更是达到了约41分19秒。

粗浅理解下来，火星上的一天比地球的一天大约长40分钟，相当于祝融号如果在火星上活动36天，就要比地球上的人们晚了24个小时——整整一天呐！

童明雷介绍，一个平太阳日与一个恒星日的差值，地球达到了近4分钟，显然比火星的2分多钟更大。这是因为火星的公转周期更长，达到了687天，接近地球公转周期的两倍。

“火星和地球绕太阳运行的轨道都不是正圆的而是椭圆的，火星轨道的离心率为0.0934，远高于地球轨道离心率的0.0167，使火星各季节长度更加不一致，因此更加需要建立平太阳时或恒星时。”童明雷说。

那么，如果想让祝融号在火星上和地球人过一样的24小时制，则火星的秒长就要比地球的秒长要长，平太阳日的秒长相对于地球要放大1.02749倍；而恒星日的秒长要放大1.02877倍，这个值来自地球自转速率与火星自转速率之比。 红星新闻记者 张炎良 任江波 综合新华社

新闻推荐

上海17日起启动76岁及以上人群新冠疫苗登记预约接种工作

“上海发布”微信公号5月15日消息，上海市疫情防控工作领导小组办公室发布信息，为做好新冠疫情常态化防控，更好保护人民群众...