祝融号火星车着陆10大问题详解

中国火神降临火星！

　　北京时间 5 月 15 日，在经历 “黑色九分钟” 后，中国首辆火星车 “祝融” 号与着陆器成功登陆火星，着陆地点位于火星的乌托邦平原南部预选区域。

　　
　　（来源：中国航天）

　　此次成功着陆标志着中国成为了继前苏联和美国后，第三个成功登陆火星的国家。与此同时，这也意味着 “天问一号” 火星探测器已经实现了 “绕” 和 “落” 两项目标，中国也因此成为世界上首次探索火星即完成软着陆的国家，而最后的目标 “巡” 将在 “祝融” 号经过短暂调试和休整后开展。

　　下一步，如果 “祝融” 号能够成功完成自检并驶离着陆平台，再通过火星上空的轨道器（环绕器）与地球上的控制团队建立连接，就能开始在受控情况下巡视火星地表和执行科学任务。

　　一旦成功，这将成为人类火星探测史上的里程碑事件 —— 在一项火星探测任务中，首次同时完成环绕，着陆和巡视三项探测目标。

　　据官方报道，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，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。

　　“天问一号” 和它的火星之旅

　　“天问一号” 和它的火星之旅，要从几个月前说起。

　　2020 年 7 月 23 日中午 12 时 40 分，长征五号遥四运载火箭搭载着中国首个火星探测器 “天问一号” 从海南文昌航天发射场升空。经过半个多小时飞行，探测器成功与火箭分离，并进入地火转移轨道，开启了奔向火星的旅程。

　　
　　图 | 长征五号遥四运载火箭发射升空

　　要去到遥远的火星，实现变轨、制动以及长期的探测任务，整个 “天问一号” 探测器的质量超过了 5 吨，其中主要包括环绕器，着陆巡视器和推进剂燃料。

　　相比之下，阿联酋去年发射的 “希望” 号探测器质量不到 2 吨，只具备在火星轨道上环绕探测的能力，而美国已经成功登陆的 “毅力” 号因为没有配备环绕器且使用的是核电池和空中吊车技术，其重量仅有 1 吨多一点。

　　在 200 多天的漫漫旅程中，“天问一号” 飞行了 4.75 亿公里，经历了四次中途修正和一次深空机动修正来调整飞行路径。最终在 2021 年 2 月 10 日，它成功实现了近火制动，进入了火星引力范围并被捕获，开始环绕火星。

　　据专家介绍，被火星捕获算得上是火星探测任务中第一个技术难关。当探测器进入捕获阶段时，其被捕获的机会只有一次，而且时间仅有 30 分钟左右。

　　捕获时，“天问一号” 距离地球约 1.92 亿千米，因此控制团队无法实时操控，只能依靠其自主执行命令。与此同时，它距离火星只有 400 千米，相对速度高达 4-5 千米每秒，因此它制动点火的时机非常关键：如果制动时间过长，速度就会过慢，导致探测器与火星相撞；如果制动时间过短，速度就会过快，导致探测器飞掠火星。

　　时至今日，“天问一号” 已经在火星停泊轨道上运行了 3 个月左右。在这段时间里，环绕器上的七台载荷全部都在工作，对火星进行了一系列科学探测，包括火星大气电离层分析及行星际环境探测，火星表面和地下水冰的探测，火星土壤类型分布和结构探测，火星地形地貌特征及其变化探测，以及火星表面物质成分的调查和分析。

　　与此同时，探测器的相机拍摄了大量火星照片，可供科学家分析和考察火星地形，最终为 “祝融” 号选出合适的着陆区域。

　　
　　事实上，“天问一号” 选择先环绕火星三个月，一个很重要的原因就是为了给着陆做足准备，在没有地形地貌数据的情况下贸然着陆，就好比去完全陌生的深山野林探险而不带地图，风险实在太大。

　　相比之下，美国 “毅力” 号能够做到晚出发、先着陆，也是因为 NASA 早在 2006 年就发射了火星勘测轨道飞行器（MRO），用于侦察火星并拍照，还能作为与地球沟通的通讯中继器。

　　算下来，MRO 已经拍了 15 年的照片，因此 NASA 可以通过已有的高分辨率影像数据提前选好着陆区域，直接让 “毅力” 号拿着高清地图上路。

　　“黑色九分钟” 与 “祝融” 号

　　此次登陆火星的是 “天问一号” 的着陆巡视器部分，由进入舱和 “祝融” 号火星车组成，前者负责完成火星进入、下降、着陆任务（EDL 过程），后者主要负责在火星上巡视和探测。

　　整个 EDL 过程又被称为 “恐怖七分钟” 或者 “黑色九分钟”，前者是美国 NASA 的说法，后者则是中国科学家的描述。

　　在远离地球的情况下，探测器和地球的完成最简单信息传输的时间都需要 20 分钟左右。而整个减速、着陆过程仅为 7-9 分钟。

　　与此同时，我们对火星的大气环境知之甚少，无法准确掌握着陆时的天气状况，比如是否有沙尘暴，更别提获取气压、风速等关键参数了。

　　这意味着，探测器需要完全依靠自己的能力，在大气环境未知的情况下，完成着陆的全过程。地球上的人则只能等待成功与否的消息。

　　算上 “天问一号”，在人类历史上已进行的 22 次火星着陆任务中，只有 10 次成功并顺利开展探测工作。

　　
　　图｜探测器登陆火星模拟动画（来源：CNSA）

　　据 “天问一号” 探测任务总设计师张荣桥介绍，在这 “黑色九分钟” 里，装着火星车的着陆器在进入火星大气层，同时进行气动减速，将速度从 2 万多公里 / 小时下降至每秒数百米；着陆器打开降落伞，通过降落伞的拉力在约 90 秒钟的时间里将速度进一步将到 95 米 / 秒；反推发动机开启，在 约 80 秒内将速度降至 3.6 米 / 秒，最后在离火星表面最后 100 米处悬停，火星车离开承载平台，完成着陆目标，在火星表面开展巡视科学探测。

　　搭载了 “祝融” 号的着陆平台组合体与环绕器分离后，将要自主完成减速和降落的全过程，因此着陆巡视器配备了降落伞和反推发动机，选择安全地点降落则需要平台上的控制系统和推进系统共同配合完成。

　　
　　图｜探测器登陆火星模拟动画（来源：CNSA）

　　为了完成巡视探测科学任务，“祝融” 号上配有火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪共 6 种有效载荷，对火星进行遥感探测和区域精细探测。通过集成一体化设计的载荷控制器对载荷进行控制和管理。

　　“祝融” 号火星车最引人瞩目的就是竖立在前端的桅杆，顶端的方形设备就像机器人的脑袋。

　　桅杆足有 60 多公分， 这个桅杆就是踏上火星之后，需要率先展开的部件。顶端的方盒子上还有火星车的眼睛 —— 全景相机和多光谱相机，能看前面的地形地貌，也能帮助它避开障碍，还能对前方的矿物质成分进行识别。

　　
　　图 | 火星车 1：1 模型

　　在 “祝融” 号上，还装有 4 个 “大翅膀”，这正是太阳能电池板。除此之外，它还配有探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪，可以对火星进行全方位的探测。

　　此外，因为火星上接收太阳的光照要比地球和月球要小的多，翅膀则可以根据太阳光的方向来调整太阳帆板的角度。

　　“祝融” 号的行进速度为 200 米 / 小时，而车轮每转动一圈，对中国火星探测来说就是积累到了全新的数据。它会对火星进行遥感探测和区域精细探测，将主要完成以下 4 项科学任务：

　　1、火星巡视区形貌和地质构造探测。

　　2、火星巡视区土壤结构（剖面）探测和水冰探查。

　　3、火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探。

　　4、火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。

　　除此之外，“天问一号” 和 “祝融” 号还将肩负着为火星采样返回计划铺路的使命，该任务预计执行时间为 2030 年左右。

　　
　　如果一切顺利，我们或将在几天内收到 “祝融” 号的另一个喜讯，那就是成功驶离着陆平台，在火星表面留下中国首个火星车的足迹。它计划在火星上运行 3 个火星月，约合 92 个地球日。在这段时间里，环绕器将负责在火星车和地球之间架起通信桥梁，传递数据。在这之后，环绕器还将进一步接近火星，在科学探测轨道上运行，方便对火星展开进一步探测。

　　中国火星探索时间轴

　　中国火星探索时间轴自 2011 年 11月开始，具体如下。

　　2011 年 11 月：中国开发的火星探测器 “萤火一号” 搭载在俄罗斯的福布斯 - 土壤探测器当中，计划借助俄方火箭一同前往火星，进行环绕探测任务。但由于俄方探测器在与火箭分离后未能成功变轨，“萤火一号” 和福布斯 - 土壤探测器最终在太平洋坠毁。

　　2016 年 1 月：中国正式启动自主火星探测计划，并于同年 4 月宣布将 2020 年定为火星探测卫星的预计发射窗口，一次性实现 “绕、落、巡” 三个目标。

　　2016 年 8 月：中国正式启动火星探测工程征名和图形标识全球征集活动。

　　2019 年 11 月：中国国家航天局完成火星探测任务着陆器悬停避障试验。

　　2020 年 3 月：北京航天飞行控制中心火星任务团队完成中国首次火星探测任务无线联试，验证了探测器与地面系统的接口匹配性和一致性，对各类方案、技术状态、软硬件系统进行了全面测试。

　　2020 年 4 月：中国国家航天局将中国行星探测任务命名为 “天问”，将首次火星探测任务命名为 “天问一号”，同时公布了首次火星探测标识 “揽星九天”。

　　2020 年 7 月：长征 5 号运载火箭搭载 “天问一号” 探测器从海南文昌卫星发射中心发射升空，发射 37 分钟后，“天问一号” 探测器成功进入预定轨道并与火箭分离，独自沿抛物线轨道飞往火星。

　　2021 年 2 月：经过 6 个多月的飞行，“天问一号” 完成首次近火制动，成功被火星捕获并进入环火星轨道，随后又多次调整轨道，以观察火星地形并拍摄照片，为降落火星做准备。

　　2021 年 4 月：中国国家航天局宣布，中国首辆火星车命名为 “祝融” 号，寓意点燃中国星际探测的火种，指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越。

　　2021 年 5 月：着陆器与 “祝融” 号成功着陆，未来将探索火星的地貌、地质、土壤、大气、磁场等特征。

　　今早的落地，意味着中国实现了向着火星出发！