天問一號火星著陸驚心動魄的9分鐘

文/ 趙聰

5月15日7時18分，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”。“天問一號”成功著陸，意味著我國成為世界上第二個航天器成功著陸火星的國家。

制圖：于珊珊

▲ 天問一號著陸巡視器與環繞器分離模擬圖

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”。3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，至此已跋涉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”。

天問一號環繞器總體副主任設計師杜洋介紹，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。

▲ 進入火星大氣層前調整姿態

▲ 進入火星大氣層利用大氣減速

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。國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言介紹，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。

▲ 傘系減速段

▲ 動力減速段

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數次實現月球軟著陸，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。在此前人類嘗試著陸火星的任務中，僅美國取得9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。”耿言說。

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。

耿言介紹，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%。”耿言說。

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。

航天科技集團所屬中國空間技術研究院508所總工程師黃偉介紹，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”穩落火星表面

“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。

航天科普專家龐之浩介紹，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。

王闖介紹，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，前邊所有努力或許都會付諸東流。“100米的高度已經能對著陸地形進行準確判斷，看看有沒有大坑和大石塊，有的話就需要避開它。”

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。