祝融探火十問

毛新愿

2021年5月15日，在經(jīng)歷了296天的太空之旅后，天問一號火星探測器所攜帶的祝融號火星車及其著陸組合體，成功降落在火星北半球的烏托邦平原南部。中國由此成為繼蘇聯(lián)、美國之后，第三個(gè)真正“踏上”（成功著陸）火星的國家，也是首次火星探測即實(shí)現(xiàn)成功著陸的國家。

5月19日，國家航天局發(fā)布了祝融號拍攝的第一批火星影像。圖像中，著陸平臺和駛離坡道、太陽翼、天線等機(jī)構(gòu)展開正常到位。5月22日10時(shí)40分，遙感數(shù)據(jù)顯示祝融號火星車已安全駛離著陸平臺，到達(dá)火星表面。火星車開始進(jìn)行巡視探測，通過配置的導(dǎo)航地形相機(jī)、多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、表面成分探測儀等6臺載荷，對巡視區(qū)開展詳細(xì)探測。這是一個(gè)歷史性成就，意味著我國首次火星探測任務(wù)挑戰(zhàn)“繞、著、巡”三大工程目標(biāo)，基本取得了成功。隨著研究數(shù)據(jù)和成果不斷積累，五大科學(xué)研究目標(biāo)也正在進(jìn)展中。

在中國神話體系中，祝融是為華夏民族傳下火種的創(chuàng)世祖神之一，教古人學(xué)會了用火。中華文化源遠(yuǎn)流長，這個(gè)充滿文化色彩的稱號，在全網(wǎng)投票中脫穎而出，成為中國首個(gè)火星車的大名。關(guān)于祝融號，大家是不是存有許多疑問？本文就帶你詳細(xì)解讀祝融號的探火之旅和它對中國乃至世界航天的意義。

一、為什么說天問一號火星探測任務(wù)是“復(fù)雜度之最”

人類探索火星60年，先后有過四大方案：“驚鴻一瞥”的飛掠，僅在探測早期技術(shù)不成熟無法入軌環(huán)繞火星或兼職探測火星時(shí)使用；“登高望遠(yuǎn)”的環(huán)繞，可通過穩(wěn)定環(huán)繞全方面探測火星總體情況，但無法看清細(xì)節(jié)；“明察秋毫”的著陸，能近距離接觸火星表面，但僅能定點(diǎn)探測；“自主移動(dòng)”的巡視，能在火星表面探測更大的范圍，但巡視器必須依托于環(huán)繞器和著陸器/著陸系統(tǒng)的幫助才能抵達(dá)火星表面順利工作。可以說，巡視任務(wù)需要大量的火星研究基礎(chǔ)，工程方面和科學(xué)方面要求極高，代表著火星探測的最高難度。

一般情況下，會分開執(zhí)行環(huán)繞、著陸、巡視任務(wù)，一步一個(gè)腳印，前一步為后一步積累基礎(chǔ)。即使這樣，人類探測火星的成功率也僅有50%左右。

在我國首次火星探測任務(wù)中，天問一號把環(huán)繞、著陸和巡視三大目標(biāo)一步到位地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了，非常了不起，困難程度也不言而喻。要知道，祝融號火星車重達(dá)240千克，可不是一個(gè)小家伙。總體上，近些年來人類探測火星的任務(wù)中，天問一號可以說是“復(fù)雜度之最”，這體現(xiàn)了中國航天事業(yè)快速發(fā)展帶來的巨大信心。

二、天問一號抵達(dá)火星后為何等了3個(gè)月才著陸

一方面，環(huán)繞器的完全成功是探測火星的基本前提。在環(huán)繞器穩(wěn)定后再進(jìn)行著陸操作，可以為著陸巡視組合體提供更大的選擇余地和容錯(cuò)空間。另一方面，我國還缺乏對火星的全面了解，著陸區(qū)的實(shí)際地形地貌和氣象條件等都需要詳細(xì)勘察。因此，抵達(dá)火星后，需要花一定時(shí)間研究勘察，不能冒著風(fēng)險(xiǎn)貿(mào)然著陸。

2021年2月10日19時(shí)52分，天問一號環(huán)繞器攜帶著陸巡視組合體，成功切入環(huán)繞火星軌道并成為火星的一顆人造衛(wèi)星，隨后完成了三大步驟。

1.火星上空“側(cè)空翻”。2月15日，在遠(yuǎn)火點(diǎn)處將軌道調(diào)整為能覆蓋火星全球的極地軌道，從靠近赤道的“橫著飛”變成“縱向飛”，視野大大增加。近火點(diǎn)則鎖定在烏托邦平原等低緯度區(qū)域，為后續(xù)科研和勘察做準(zhǔn)備。

2.進(jìn)入停泊軌道。2月24日，天問一號成功調(diào)整到這條過渡軌道，距離火星更近、周期更短，每兩個(gè)火星日環(huán)繞一周。在這條軌道穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月左右時(shí)間，詳細(xì)勘察著陸區(qū)域。

3.各項(xiàng)儀器開機(jī)。天問一號攜帶了13臺主要科學(xué)儀器，其中環(huán)繞器上有7臺，重點(diǎn)是在近火點(diǎn)時(shí)利用中分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)等對火星表面高清成像。3個(gè)月時(shí)間的調(diào)試校正后，所有儀器系統(tǒng)都達(dá)到了最佳工作狀態(tài)。

三、為什么說著陸過程是“恐怖九分鐘”

火星探測器著陸過程持續(xù)時(shí)間受一系列因素影響，如沖入火星大氣的速度、角度、地點(diǎn)和時(shí)間，著陸地點(diǎn)的地形地貌特點(diǎn)（尤其是高度），著陸期間的氣象條件，具體著陸技術(shù)方案和細(xì)節(jié)等，總體著陸時(shí)間在7～10分鐘不等。祝融號選擇的著陸區(qū)是高度較低的烏托邦平原，總著陸時(shí)間在9分鐘左右。

之所以被稱為“恐怖九分鐘”，是因?yàn)榛鹦桥c地球的距離在5500萬千米到4億千米之間變化，遠(yuǎn)超月球。這不僅意味著一次火星探測任務(wù)動(dòng)輒需要飛行7～11個(gè)月，還意味著從地球上發(fā)出信號與火星通信，至少需要6～45分鐘的雙向通信時(shí)延。火星大氣稀薄，引力較小，整體著陸過程僅持續(xù)數(shù)分鐘，其間根本不可能從地球上對其進(jìn)行控制，這個(gè)過程必須依靠著陸組合體獨(dú)立自主完成。

此外，火星半徑為3400千米左右，約為地球的一半，表面引力約為地球的38%，表面空氣密度不足地球海平面的1%水平，但這并不意味著著陸火星難度低。實(shí)際上，著陸火星的困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了月球。雖然大氣可以給著陸巡視組合體帶來一定的氣動(dòng)減速能力，但密度太低不可能減速到理想的著陸狀態(tài)，最后一定需要反沖火箭工作懸停降落。為應(yīng)對不可避免的大氣沖擊、摩擦和積累的熱量，著陸巡視組合體還必須增加氣動(dòng)、隔熱、避震等防護(hù)結(jié)構(gòu)，重量、復(fù)雜度和成本等大幅度上升，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也大大增加了。

最后，當(dāng)?shù)厍蛏系暮教烊送ㄟ^精確計(jì)算得知祝融號正在火星獨(dú)立完成各項(xiàng)著陸操作卻不得不耐心等待信號回傳時(shí)，這種焦急的體驗(yàn)不可謂不“恐怖”。

四、著陸期間，祝融號到底經(jīng)歷了什么

開始著陸后，著陸巡視組合體會與環(huán)繞器分離，開啟獨(dú)立著陸之旅。其間姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，嚴(yán)格控制著陸軌跡角度與方向。如果沖進(jìn)火星的角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果角度過小則會像打水漂一般滑入深空。

著陸巡視組合體以5千米每秒級別的速度沖入火星大氣后，依然會與稀薄的大氣沖擊和摩擦產(chǎn)生巨大的熱量，足以熔化大部分金屬。通過隔熱大底和多種散熱手段，著陸巡視組合體的溫度依然能保持常溫。其間速度驟降到數(shù)百米每秒，巨大的降落傘在火星上空約10千米的高度打開。

隨著速度的迅速降低，已經(jīng)被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒有存在的必要了，于是這一“功臣”便被拋離并直接脫落在火星表面。暴露出來的底部雷達(dá)和工程相機(jī)等立即開始急速工作，緊盯目標(biāo)著陸區(qū)域，分析實(shí)際與預(yù)計(jì)的匹配程度，讓導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)快速解算最佳著陸方案。此時(shí)，速度已經(jīng)降至100米每秒以內(nèi)，降落傘功成身退，真正的大戲開始上演。

著陸巡視組合體依靠底部強(qiáng)大的反沖火箭進(jìn)行減速，各種傳感器進(jìn)一步仔細(xì)檢查地面情況，躲避亂石堆、斜坡、溝谷等特殊地貌，找尋最佳著陸角度和姿勢。隨著速度進(jìn)一步降低至懸停避障狀態(tài)，著陸巡視組合體距離火星表面數(shù)米高。最后階段，火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚(yáng)起沙塵的情況發(fā)生，著陸巡視組合體成功降落火星表面。

眾多復(fù)雜的動(dòng)作猶如在“刀尖上起舞”，稍有不慎便會導(dǎo)致任務(wù)失敗，難度可想而知。

五、祝融號怎么獲取能量

祝融號火星車是天問一號全程呵護(hù)的“掌上明珠”。在飛行、環(huán)繞和著陸期間，環(huán)繞器和著陸器全程為它保駕護(hù)航，提供重要的通信、能量和動(dòng)力服務(wù)。但是抵達(dá)火星表面后，著陸器將放出導(dǎo)軌，祝融號必須開機(jī)，在經(jīng)歷數(shù)天能量積累后，最終走出“溫室”，依靠自身能力獨(dú)立生存和工作。

祝融號依靠太陽能進(jìn)行工作。由于火星距離太陽更遠(yuǎn)，這里的太陽能密度僅為地球附近的四成左右，對太陽能帆板收集能量的要求極高。它使用了4片巨大的由三結(jié)砷化鎵構(gòu)成的“蝴蝶形”太陽能電池陣列，確保足夠的能量供應(yīng)。同時(shí)，火星上動(dòng)輒有大規(guī)模的沙塵暴，會對太陽能收集效率產(chǎn)生巨大影響，甚至直接影響火星車的工作壽命。通過防塵涂層技術(shù)，祝融號表面的抗沙塵能力大幅提高。但對于曠日持久的全球沙塵暴，它只能是“打不起，躲得起”，進(jìn)入休眠狀態(tài)，先躲過“風(fēng)頭”再說。

火星表面空氣極其稀薄，保溫效應(yīng)有限，直接導(dǎo)致晝夜溫差過大，白天可達(dá)20℃，夜晚卻能低于零下100℃，這對于不少儀器將是巨大挑戰(zhàn)。一方面，祝融號必須在夜晚“熄火”休眠；另一方面，它采用了納米級氣凝膠和正十一烷集熱窗等溫控技術(shù)，確保安全無虞度過漫漫長夜。

六、祝融號怎么運(yùn)動(dòng)

會動(dòng)，是火星車的核心功能。但火星上并不是一片“坦途”，隨機(jī)出現(xiàn)的尖銳砂石會輕易破壞火星車的動(dòng)力系統(tǒng)，且這些傷害會逐漸累積，對火星車造成巨大威脅。例如美國的勇氣號火星車2009年陷入沙坑，導(dǎo)致輪子出現(xiàn)故障，無法轉(zhuǎn)動(dòng)，一直被困到任務(wù)結(jié)束。目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的好奇號火星車，可能導(dǎo)致任務(wù)終止的最大風(fēng)險(xiǎn)之一就是逐漸殘破的輪子。

祝融號的機(jī)身被設(shè)計(jì)成了可升降的主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，能夠自由轉(zhuǎn)向，6個(gè)輪子均獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，多輪懸空的條件下依然能自由移動(dòng)。在極端地形中，祝融號還能重新設(shè)計(jì)輪子驅(qū)動(dòng)方案以實(shí)現(xiàn)“蠕動(dòng)”“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機(jī)械操作，成為一輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”。

不過，祝融號的核心使命是科研，任何機(jī)動(dòng)性能都不如“行車規(guī)范”重要。首先，嚴(yán)格限速，節(jié)約寶貴的太陽能。這個(gè)240千克的大家伙實(shí)際速度僅為厘米每秒級別，連烏龜都跑不過。其次，謹(jǐn)小慎微，“走一步，歇兩步”。需要經(jīng)常停下來利用地形相機(jī)和避障相機(jī)等“眼觀八方”，確認(rèn)安全再出發(fā)。再次，聚精會神。要么認(rèn)真行駛，要么停車讓科學(xué)儀器開啟工作，絕不“邊走邊玩”。最后，真的發(fā)生緊急情況陷入困境后，航天人也會在地球?qū)嶒?yàn)室利用火星車的“雙胞胎”備份還原真實(shí)火星駕駛場景，設(shè)計(jì)多種解決方案，幫助它脫困。

正所謂“行車不規(guī)范，親人兩行淚”，即使在火星，祝融號也要牢記行車規(guī)范。

七、祝融號怎么與地球通信