『天問一號』著陸火星的那些難題

張軍

2021年5月15日7時18分，“天問一號”著陸器帶著“祝融號”火星車成功著陸于火星表面，邁出了“環繞、著陸、巡視”任務中最關鍵的一步，標志著我國成為世界上第二個獨立掌握火星著陸和巡視探測技術的國家。

著陸火星，挑戰重重。自1960年10月10日蘇聯發射第一顆火星探測器以來，火星便成為太空中最熱門的探測目標，特別是20世紀90年代以來，每次的發射窗口期均有探測器發射，從未間斷。但在“天問一號”成功落火之前，在火星表面成功軟著陸的只有寥寥數次。

今天，我們從初中物理的知識層面，對“天問一號”著陸器著陸火星的減速過程進行簡單分析。

著陸問題的本質

讓雞蛋從高處落下，掉到地板上，雞蛋就摔碎了（圖2）。這就好比硬著陸，結果是粉身碎骨。這里面包含著能量轉化的奧秘。

物體因運動而具有動能，動能大小與物體的質量成正比，和速度的平方成正比。物體因被舉高而具有重力勢能，重力勢能的大小與質量成正比，與相對高度成正比。還有一種勢能是彈性勢能，是物體發生彈性形變之后產生的，儲存于形變物體中。動能和勢能（含重力勢能和彈性勢能）統稱為機械能。動能和勢能之間可以相互轉化。當物體下落到地面時，最終相對于地面的高度變為零，速度也為零，機械能也就為零了。

那么，物體原有的機械能哪里去了呢？

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能由一種形式變為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體。掉落在地面上的物體，當它的機械能為零時，能量并沒有“消失”，而是變成了其他形式的能。比如，乒乓球掉落桌面后不斷彈起，每次彈起的最大高度都在不斷變小（圖3）。這是因為克服空氣阻力做功、撞擊桌面做功都會損耗機械能，將機械能轉化為內能。乒乓球掉到桌面前的一瞬間速度最大，動能也最大，然后不斷撞擊桌面，直至速度變為零。這個過程中，乒乓球和桌面都會發生彈性形變，將剛才乒乓球的動能轉化為彈性勢能。接著，乒乓球和桌面都會恢復原狀，將彈性勢能又轉化為乒乓球的動能。但是，這時的動能已經沒有撞擊之前那么大了，因為其中一部分能量轉化為了乒乓球和桌面的內能。事實上，在乒乓球下落和彈起的過程中，機械能每時每刻都在減小，因為空氣阻力一直存在，撞擊也會損耗機械能。如果用精密的儀器測量，我們會發現，空氣、乒乓球、桌面的溫度都在升高。

功是能量轉化的量度，做功的過程就是能量轉化的過程;做了多少功，就有多少能量發生了轉化。

任何撞擊都會產生沖擊力。乒乓球掉落桌面時，產生沖擊力的過程非常復雜。乒乓球對桌面施力，同時桌面也對乒乓球施力，這兩個力是一對相互作用力，符合牛頓第三定律的描述：大小相等，方向相反，作用在一條直線上。乒乓球會對桌面做功，桌面也對乒乓球做功——這個做功的過程就是能量轉化的過程。如果其中一方的承受力差，就有可能損壞——掉在地面的雞蛋就是這么摔碎的。如果掉在另一個雞蛋上，則可能兩個雞蛋都碎了。

如果在地面墊上泡沫，掉落的雞蛋就安全多了，就像我們跳高時落到海綿墊上（圖4），不會摔傷。這是為什么呢？

雞蛋接觸地面之前，有一定的速度;碰撞結束，速度變成零。如果碰撞過程的時間延長了，發生形變的時間也就延長了，或者說速度減小到零的這段時間延長了，就可以減小沖擊力。這個過程就是我們所說的緩沖。打印機的硒鼓外面包著氣囊（圖5），是為了防止運輸和儲存過程中碰撞的沖擊力帶來破壞;家用電器的包裝箱里填充泡沫、紙條、海綿等材料，也是為了防止運輸過程中的碰撞。雞蛋、玻璃杯、水果等的包裝都采用了緩沖設計（圖6、圖7），緩沖材料增加了速度減小到零的時間，減少了沖擊力。

自行車車座下面有彈簧，輪胎充氣而富有彈性，也有增大緩沖、減小沖擊力的考慮。想象一下，如果自行車的車座就像個板凳而沒有彈簧緩沖，車輪就是一個圓形的鋼結構而沒有輪胎，那么路面顛簸時，你會感覺多不舒服！緩沖和減震已經成了一門專門的學問，緩沖設計在我們的日常生活中到處可見。

“天問一號”著陸器（也叫著陸平臺，幫助火星車登上火星的運載工具）和火星車總質量為1300千克，進入大氣層的速度約為5000米/秒，機械能大得驚人。如何將它的機械能（或者速度）在落地前減到最小？如何延長它與地面撞擊的時間？如何在撞擊時將機械能吸收掉，以減小沖擊力？

著陸問題的本質，就是讓著陸器順利下落到火星表面，并且在高度為零時，速度也為零，這就是軟著陸。為達到這個目的，著陸器先后經歷了氣動減速、傘降減速、動力減速、著陸緩沖4個階段的減速。

鈍形底部設計有奧妙

火星表面是有空氣的，但是密度很小。火星表面的大氣密度約為0.015千克/米3，而地球表面的大氣密度約為1.293千克/米3;離火星表面10千米高度處的大氣密度約為0.0065千克/米3，而離地球表面10千米高度處的大氣密度約為0.413千克/米3。它們基本上差兩個數量級。

因為火星表面有空氣存在，就可以考慮利用大氣阻力來減速——將部分機械能轉化為空氣和著陸器的內能。當著陸器與環繞器分離，切入火星大氣層，就進入了氣動減速階段。

稀薄的火星大氣對著陸器的阻力比較小。如何增加阻力呢？可以把著陸器的防熱大底進行鈍形設計。大家都知道，高鐵列車頭部一般都設計成流線型的子彈頭形狀（圖8），這樣可以大大減小空氣阻力，還能降低噪聲。那么，需要空氣阻力大一些時，就可以反過來設計，讓物體壓縮空氣的表面鈍一些、平坦一些，而且面積大一些。如果我們把傘收攏，傘尖向前，握住傘跑起來，我們幾乎感覺不到空氣阻力的增加;但是如果把傘撐開，仍然傘尖向前，這時跑起來就會明顯感受到巨大的阻力（圖9）。同樣，紙片底部設計成錐形，要比設計成鈍形下落得快（圖10）。

鈍形的防熱大底設計，還可以起到降溫和穩定著陸器的作用（圖11）。

有兩個原因會導致著陸器表面溫度升高。一是摩擦生熱。火星大氣與著陸器邊緣之間發生摩擦，將機械能轉化為內能，讓著陸器和空氣的溫度都升高。這個我們很好理解，感覺手冷時，把雙手搓一搓，手就會變暖。鉆木取火也是利用摩擦生熱——克服摩擦做功，把機械能轉化為內能。二是氣動加熱。著陸器前端會壓縮空氣，把機械能轉化為內能，導致氣體溫度升高，高溫的氣體又反過來加熱著陸器。汽油機和柴油機的壓縮沖程就是通過壓縮氣體做功，讓氣體內能增加的。柴油機壓縮沖程末，氣體溫度可能超過1000℃;飛行器壓縮大氣層中的氣體，溫度會高得多。

壓縮氣體做功，氣體內能增加，溫度升高;反過來，氣體膨脹對外做功，內能則會減小，溫度降低。我們用打氣筒給自行車打氣時，氣筒壁的溫度會升高，主要也是由于壓縮空氣做功，讓空氣內能增加造成的。打氣筒活塞摩擦筒壁產生的熱量其實是較小的。如果我們將車胎放氣，車胎內氣體對外做功，內能會減小，溫度會降低。車胎放氣后，用手摸一下氣嘴，會感覺涼涼的。同樣，往氣球里打氣，氣球溫度會升高;將氣球放氣，溫度則會降低（圖12）。

著陸器的大底結構和大底拐角部位的氣動加熱最嚴重，這些部位使用了超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。一方面，可以利用表面發生的復雜物理和化學反應帶走大量的熱;另一方面，材料良好的保溫隔熱性能也可以有效防止探測器被燒壞。再者，鈍形的底部設計會將前方的熱空氣推開一段距離，這樣可以減少高溫氣體對載荷的加熱。“嫦娥五號”返回器也采用了鈍形防熱大底設計，即使返回器大底前端溫度達到了5000～6000℃，返回器的溫度一般也不會超過3000℃。

飛行器再入地球大氣層時，氣動加熱可使空氣溫度達到7000～20000℃，空氣中的氧氣、氮氣等在高溫下分解成原子，原子進一步被分解為原子核與電子，變成等離子狀態，產生人眼可見的光芒。這時，飛行器就相當于被裝進了等離子制作的“刀鞘”，這就是所謂的“等離子鞘”。等離子體對電磁波的吸收和反射作用，會讓飛行器與外界的電磁波信號衰減甚至中斷，這種現象稱為黑障。流星劃過天際，大部分都會被高溫燒掉，只有少部分落到地面，這就是隕石。20世紀，美國進行“民兵3”導彈試驗時，有兩次彈頭都在再入地球大氣層時被燒掉。

火星表面空氣稀薄，“天問一號”著陸器降落時，氣動加熱不會像在地球大氣層那么明顯，但是峰值溫度也會超過1300℃，依然會使大氣變成等離子體（圖13），出現黑障現象，這段時間能否安全降落完全靠著陸器自身。

著陸器剛進入火星大氣層時，高度約125千米，速度可達4800米/秒，相當于子彈出膛速度的6倍。經過大約5分鐘的氣動減速后，速度就下降到了460米/秒，機械能消耗了約90%，接下來就進入降落傘減速階段。

降落傘減速“看易實難”

火星的吸引導致著陸器下落時會加速，空氣阻力又會對著陸器起到減速效應。使用降落傘可以增大空氣的阻力，讓著陸器的下降速度進一步減緩。目前，使用降落傘是最經濟、最高效的減速方法，國內外所有的火星著陸任務均采用了降落傘進行減速（圖14）。

當著陸器距離火星表面大約11千米時，著陸器發出彈傘指令，彈傘筒內的火藥被點燃，產生高壓燃氣，推動筒內的活塞運動，使降落傘的傘包沖開尾部的傘艙蓋，飛出彈傘筒。降落傘飛出彈傘筒之后，從傘包中倒拉出來，傘繩逐漸被拉直，傘被充氣張滿，發揮減速作用。這說起來非常容易，實際上難度大得多，因為有多重因素需要反復考慮。

降落傘采用什么樣的設計、采用什么樣的開傘控制方法、在多高的地方開傘、在速度多少時開傘、傘的彈射速度多大，都大有講究。

與以往航天器的環帆傘、帶條傘等不同，“天問一號”的主降落傘采用了鋸齒形盤縫帶傘設計，傘的頂部是盤，接著有一圈縫，下面是帶，帶的尾部做成了鋸齒形，這樣的設計有利于承力和確保穩定性。降落傘打開后，展開面積達200平方米，由48根傘繩牽引。為了防止降落傘沖破筒蓋后筒蓋砸到主降落傘，還為筒蓋配了一頂減速小傘，用來保證筒蓋與主降落傘之間有足夠的安全距離。降落傘和筒蓋減速傘的總質量控制在了40千克以內，包裝體積控制在了60升以內。傘面和繩均使用了最新研發的特紡材料，傘繩的連接也首次使用了插接工藝，這樣更能提升傘繩的強度。

在降落傘成功打開后的約2分鐘時間內，著陸器的速度由460米/秒降低到95米/秒。在距離火星表面約1.2千米的高度，降落傘和背罩一同與著陸器分離，降落傘的使命就結束了，著陸器進入動力減速階段。

動力減速接過下一棒

噴氣加速的現象我們都見過，將氣球吹足氣，然后松開手，氣球里的空氣就會向后噴出，導致氣球向前加速（圖15）。

那么，如果飛行的氣球向前噴氣呢？就會讓速度降下來，這就是反向噴氣減速，也稱為動力減速。“天問一號”著陸器的動力減速由反推火箭發動機完成。反推發動機在軌道修正、攻角調整、懸停、自主避障等階段同樣要應用到。

降落傘任務完成后，防熱大底隨之脫落，著陸器底部伸出幾條腿，7500牛頓的變推力發動機開啟反推（圖16），讓著陸器減速下落。在距離火星表面約100米的時候，著陸器懸停，開啟地形探測設備進行地貌觀察。激光三維成像技術可以幫助著陸器“看到”地面上哪里有坑、哪里有石頭、哪個地方比較平坦，著陸器能夠自主避開障礙、選擇降落地點。“嫦娥四號”落月時也使用了這項自動避障技術。這時，為了保持或調整姿態，周邊的小發動機還在不停噴氣，探測器和發動機的配合必須非常“默契”，否則可能前功盡棄。

為減小落火時的沖擊力，汲取了“嫦娥”成功落月的經驗，“天問一號”著陸器的著陸腿使用了特種吸能合金。該合金的強韌性、輕質性和吸能性都非常強，可有效吸收著陸器著陸的沖擊能。著陸腿底部的面積較大，可以增加受力面積以減小壓強，避免腿部陷入火星土壤，給后續的火星車駛下著陸器造成麻煩。

著陸器著陸火星的過程可謂驚心動魄。在“天問一號”成功落火之前，人類已實施火星探測活動達40多次，其中著陸任務17次，只成功了8次。難怪有人感慨，火星就是探測器的墳場！

而我們的“天問一號”著陸器，不但安然無恙地著陸火星表面，而且實際著陸點與設計的著陸點只差了3千米！

其實，除了著陸技術，“天問一號”還有很多其他技術的突破，比如新材料技術、溫控技術、能源技術等。深空探測需要眾多前沿科學與高新技術的融合，能集中體現一個國家的綜合國力和創新能力。“天問一號”的成功，在突破深空探測基礎關鍵技術、帶動基礎研究發展、保障國家安全、提升國際影響力等方面均具有重要意義。我們必將為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體貢獻更多的中國智慧和力量。