祝融號火星車著陸10大問題詳解
2021-05-15 18:12:05
供稿：網(wǎng)友
出品：科普中國
制作：太空精釀
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
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，實現(xiàn)了中國航天史無前例的突破：天問一號，成為中國首顆人造火星衛(wèi)星。祝融號，成為中國首個火星巡視器（火星車）！
中國成為繼蘇聯(lián)、美國后第三個真正“踏上”（成功著陸）火星的國家，也是首次火星探測即實現(xiàn)著陸的國家。
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，教會了古人學(xué)會用火。中華文化源遠流長，這個充滿文化色彩的稱號，在全網(wǎng)投票中脫穎而出，成為中國首個火星車的大名。
天問，問天！祝融，探火！中國航天在用極致的浪漫組合將神話變成現(xiàn)實。
關(guān)于祝融號，大家是不是存有許多疑問？本文就帶你詳細解讀十大疑問，全方面了解它的著陸之旅和對中國乃至世界航天的意義。
問題一：為什么要著陸火星？
火星是地球的近鄰，與地球同為巖質(zhì)行星，元素組成和基本結(jié)構(gòu)與地球相似，它的成長與演化歷史也揭示著地球的過去和未來?；鹦巧蠐碛锌諝狻⑺春陀袡C物存在的痕跡，個頭雖小表面積卻與地球的總陸地面積接近，各方面條件都遠優(yōu)于另一個近鄰金星。
在具體探測技術(shù)方面，人類先后有過四大方案：“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、或兼職探測火星時使用；“登高望遠”的環(huán)繞，通過穩(wěn)定環(huán)繞全方面探測火星總體情況，但無法看清細節(jié)；“明察秋毫”的著陸，抵達火星表面近距離接觸，但僅能定點探測；“自主移動”的巡視，能在火星表面探測更大的范圍。
受限于所攜帶的電力和通信天線能力，著陸和巡視任務(wù)幾乎無法直接與地球通信，必須依賴環(huán)繞器的信號中繼服務(wù)。前往火星期間，它們也需要導(dǎo)航、通信、能量等服務(wù)。因此，環(huán)繞器是所有火星探測任務(wù)的基礎(chǔ)。
我國首次火星探測時，天問一號僅在一次任務(wù)中就同時實現(xiàn)“環(huán)繞”、“著陸”和“巡視”三大目標，實現(xiàn)對火星從天到地的立體觀測。其中，自由移動的祝融號著陸火星后，能將火星表面各種細節(jié)直觀地全方位展現(xiàn)出來，這一成果的意義是不可取代的?？傮w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。
問題二：為什么抵達火星后耐心等待了三個月才著陸？
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空間。另一方面，中國還缺乏對火星的全面了解，著陸區(qū)的實際地形地貌和氣象條件等都需要詳細勘察。因此，抵達火星后，需要花一定時間研究勘察。否則，貿(mào)然著陸的風(fēng)險可想而知。
2021年2月10日19時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。隨后它們完成了三大步驟：
1.火星上空“側(cè)空翻”：2月15日，在遠火點處將軌道調(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。近火點則鎖定在烏托邦平原等低緯度區(qū)域，為后續(xù)科研和勘查做準備。
2.進入“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，每兩個火星日環(huán)繞一周。在這條軌道穩(wěn)定運行三個月期間，詳細勘察著陸區(qū)域。
3.各項儀器開機：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，重點是在近火點時利用中分辨率相機和高分辨率相機等對火星表面高清成像。三個月時間的調(diào)試校正后，所有儀器系統(tǒng)都達到最佳工作狀態(tài)。
問題三：為什么著陸過程是“恐怖九分鐘”？
火星著陸持續(xù)時間受一系列因素影響，如沖入火星大氣的速度、角度、地點和時間，著陸地點的地形地貌特點（尤其是高度），著陸期間的氣象條件，具體著陸技術(shù)方案和細節(jié)等，總體著陸時間在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，總著陸時間在9分鐘左右，也被叫做“恐怖九分鐘”。
這是因為：火星雖是近鄰，但與地球的距離在5500萬千米到4億千米之間變化，遠超月球。這不僅意味著一次火星探測任務(wù)動輒需要飛行7-11個月，還意味著從地球上發(fā)出信號與火星通信，至少需要6-45分鐘的雙向通信時延?；鹦谴髿庀”?，引力較小，整體著陸過程僅持續(xù)數(shù)分鐘，期間根本不可能在地球上進行控制，這個過程必須依靠著陸組合體獨立自主完成。
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。實際上，著陸火星的困難程度遠遠超過了月球。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、隔熱、避震等防護結(jié)構(gòu)，重量、復(fù)雜度和成本等大幅度上升，風(fēng)險系數(shù)也大大增加了。
因此，當?shù)厍蛏系暮教烊送ㄟ^精確計算得知祝融號正在火星獨立完成各項著陸操作、卻不得不耐心等待信號回傳時，這種焦急的體驗不可謂不“恐怖”。
問題四：著陸期間，祝融號到底經(jīng)歷了什么？
在最終確認開始著陸指令后，著陸巡視組合體會與環(huán)繞器分離，開啟獨立著陸之旅。期間姿態(tài)控制發(fā)動機工作，嚴格控制著陸軌跡角度與方向。如果沖進火星的角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果過小任務(wù)就會像打水漂一般滑入深空。
沖入火星大氣后，5千米/秒級別的速度依然導(dǎo)致稀薄的大氣沖擊和摩擦產(chǎn)生了巨大的震動和熱量，足以融化大部分金屬。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。期間速度驟降到數(shù)百米/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，對這一功臣的“回報”是：它將被拋離并直接脫落在火星表面。此時，暴露出來的底部雷達和工程相機等立即開始急速工作，緊盯目標著陸區(qū)域，分析與預(yù)計的匹配程度，讓控制導(dǎo)航計算機快速解算最佳著陸方案。初步選定期間，速度已經(jīng)降至100米/秒以內(nèi)，降落傘功成身退，此時才是大戲上演的時刻。
著陸巡視組合體依靠底部強大的反沖火箭工作開始減速，各種傳感器進一步仔細檢查地面情況，避免亂石堆、斜坡、溝谷的特殊地貌，找尋最佳著陸角度和姿勢。隨著速度進一步降低至懸停避障狀態(tài)，著陸巡視組合體近距離火星表面數(shù)米高。最后階段火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚起沙塵等因素對它們的影響，著陸巡視組合體成功降落火星表面。
眾多復(fù)雜的動作，猶如在火星獨自“刀尖上起舞”，稍有不慎便會任務(wù)失敗，難度可想而知，了不起的成就！
問題五：祝融號怎么獲取能量？
祝融號是天問一號全程呵護的“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航，提供重要的通信、能量和動力服務(wù)。但是抵達火星表面后，著陸器將放出導(dǎo)軌，祝融號必須開機，在經(jīng)歷數(shù)天能量積累后，最終走出“溫室”、依靠自身能力獨立生存。
祝融號依靠太陽能進行工作。由于火星距離太陽更遠，這里的太陽能密度僅為地球附近的4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“蝴蝶型”太陽能電池陣列，確保足夠能量供應(yīng)。同時，火星上動輒有大規(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，則只能是“我打不起，但躲得起”，進入休眠狀態(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20攝氏度、夜晚卻能低于零下100攝氏度，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，它也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。
問題六：祝融號怎么運動？
會動，是火星車的核心功能。
但火星上并不是一片“坦途”，隨機出現(xiàn)的尖銳砂石會輕易破壞火星車的動力系統(tǒng)，且這些傷害會逐漸累積，對火星車造成巨大威脅。例如“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，一直被困到任務(wù)結(jié)束。目前正在運轉(zhuǎn)的“好奇號”火星車，可能導(dǎo)致任務(wù)終止的最大風(fēng)險之一就是逐漸殘破的輪子。
祝融號的機身被設(shè)計成了可升降的主動懸架結(jié)構(gòu)，能夠自由轉(zhuǎn)向，六個輪子均獨立驅(qū)動，多輪懸空的條件下依然能自由移動。在極端地形中，祝融號還能重新設(shè)計輪子驅(qū)動方案以實現(xiàn)“蠕動”、“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機械操作，成為一輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”，以提高駕駛安全性，可以說這將成為祝融號在火星馳騁的 “風(fēng)火輪”。
不過，祝融號的核心使命是科研，任何機動性能都不如“行車交規(guī)”重要。首先，嚴格限速，節(jié)約寶貴的太陽能。這個240千克的大家伙實際速度僅為厘米/秒級別，連烏龜都跑不過；其次，謹小慎微，“走一步，歇兩步”，經(jīng)常停下來利用地形相機和避障相機等詳細“眼觀八方” ，確認安全再出發(fā)；再次，聚精會神。要么認真行駛，要么停車讓科學(xué)儀器開啟工作，聚精會神，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)嶒炇依没鹦擒嚨?ldquo;雙胞胎”備份還原真實火星駕駛場景，設(shè)計多種解決方案，幫助它脫困。
不存在絕對安全的車，只存在絕對安全的交規(guī)。“行車不規(guī)范，親人兩行淚”，即使在火星，祝融號也牢記交規(guī)。
問題七：祝融號怎么與地球通信？
地火距離對于通信是個巨大的挑戰(zhàn)，信號衰減情況隨著距離增加迅速提升。一方面，在地球上需要建立巨大的深空通信天線網(wǎng)，以盡可能捕捉來自天問一號的微弱信號；另一方面，天問一號的環(huán)繞器也要攜帶直徑達2.5米的高增益定向天線，盡力提高通信能力，與地球保持穩(wěn)定聯(lián)系。
然而，祝融號是不可能像環(huán)繞器一樣攜帶巨大的天線并提供足夠能量供應(yīng)的。同時，它還攜帶了6大核心科學(xué)儀器和工程相機等輔助系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量巨大，對通信資源要求很高。祝融號還時刻跟隨火星自轉(zhuǎn)，與地球溝通極為困難。
因此，祝融號通過環(huán)繞器實現(xiàn)信號中繼。在正常運轉(zhuǎn)時將所有寶貴數(shù)據(jù)儲存起來，環(huán)繞器飛臨祝融號上空時，祝融號將信號上傳并接收新指令，全程由環(huán)繞器直連地球。
問題八：祝融號能進行什么科研？
千言萬語不如一張圖，“拍照”是祝融號最核心的科學(xué)研究目標之一。例如，可拍攝火星高清廣角大圖的導(dǎo)航地形相機，能為我們帶來各種火星“華麗的荒涼”場景。通過多光譜相機，可以詳細分析地形、地貌和地質(zhì)的具體情況，巖石土壤光譜數(shù)據(jù)也能助力科學(xué)家研究火星表面演化的歷史和未來。
表面成分探測儀也是個“黑科技”。微成像相機能將砂石放大到頭發(fā)絲般粗細的微米級，激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀更能在數(shù)米外用激光把巖石成分燒蝕成等離子體，同時利用有“遠程顯微鏡”之稱的短波紅外光譜顯微成像儀進行分析，大幅增加了祝融號的科研范圍和能力。這一幕，像不像科幻電影中外星人降臨利用激光武器“毀天滅地”的場景？
此外，通過次表層探測雷達，我們能利用“火眼金睛”一探火星土壤和淺層地下的結(jié)構(gòu)，找尋那里暗含的奧秘；火星沒有全球覆蓋的穩(wěn)定磁場，但表面卻存在支離破碎的偶極磁場，暗含著火星歷史演化的痕跡，這些需要表面磁場探測儀大展身手；而氣象測量儀，則能為祝融提供各種氣象條件，讓我們了解這顆神秘行星的“呼吸脈絡(luò)”。
問題九：祝融號著陸后，天問一號在干什么？
祝融號工作期間，天問一號的環(huán)繞器會一直緊張忙碌為它服務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)各種科研數(shù)據(jù)回歸地球，同時向它轉(zhuǎn)發(fā)來自地球的指令。
但環(huán)繞器本身也是個超級科研平臺，它攜帶了7項儀器。由于環(huán)繞器飛行在距離火星最近200余千米、最遠12000余千米的大橢圓軌道，它們能在多種軌道高度對火星進行整體性、全球性、綜合性研究。
環(huán)繞器帶有中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、礦物光譜分析儀、磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀等的超強組合。火星大氣電離層怎么樣？火星周邊太陽風(fēng)等行星際環(huán)境如何？火星表面和地下的水冰在哪里？火星的土壤類型怎么樣、怎么分布？火星的地形地貌有多壯觀？它們?nèi)绾巫兓?？火星表面礦物和物質(zhì)成分情況如何，哪里會有“寶藏”？火星的過去和未來到底怎么樣？有沒有可能存在生命？有太多的感興趣話題，都需要等待環(huán)繞器集中解答。
問題十：天問一號對中國和世界航天有什么意義？
探測火星從來都不是一件容易的事情，幾千年來，中國文化一直用“熒惑”來描述對它的未知，西方文化也把它想象成了象征著災(zāi)禍的戰(zhàn)神（Mars/馬爾斯）。人類進入航天時代后，對火星的探測掀起一波又一波浪潮，但也面臨著極為殘酷的挑戰(zhàn)。20世紀60年代，開局就是6次慘烈的失敗，直到今天總成功率也僅為一半左右，無論成功與否，每一個任務(wù)都造價不菲。
天問一號探測火星，祝融號著陸火星，不僅是中國航天工程任務(wù)難度的新突破，更是我國在行星科學(xué)領(lǐng)域的史無前例突破。天問一號的五大科學(xué)目標將為我國深空探測領(lǐng)域打下重要的基礎(chǔ)，同時，也給世界帶來了對火星研究的豐富補充。宇宙是個聯(lián)系的整體，通過洞察這顆行星的奧秘，我們也能一探地球的過去和未來，邁向更遠的星辰大海。
2000年前，屈原在長詩《天問》中發(fā)出的“九天之際，安放安屬？”和“日月安屬，列星安陳？”的曠世之問。2000年后，中國航天人要用實際行動給出解答：天問，問天！第一站就是火星，未來，還有更多的下一站來解答古人的疑問。
