成功拥抱火星，“天问一号”需要练就哪些本领？

原标题：成功拥抱火星，“天问一号”需要练就哪些本领？

5月15日7时18分，“天问一号”火星探测器稳稳降落在首选落点——火星北半球乌托邦平原的南部，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。视频来源：央视新闻(01:19)与月球探测任务相比，火星探测不仅要面临最远4亿公里的遥远距离，而且火星环境与地球环境有较大差异。火星大气稀薄，受季节、昼夜、风暴等影响非常不稳定；火星表面地形复杂，遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物；火星尘暴较地球更为严重，而我们没有火星大气模拟实测手段，也没有经过飞行验证后的数据……这些因素给“天问一号”着陆火星带来了极大难题，安全着陆风险非常高。
“未知9分钟”
要想平稳地降落到火星表面，就要让高速奔驰的“天问一号”慢下来。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节，‘天问一号’在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开，而这个过程存在开伞困难且不稳定等问题。”航天科技集团五院“天问一号”探测器总体主任设计师王闯说。
据王闯介绍，进入火星大气层以后，“天问一号”首先借助火星大气进行气动减速，将下降速度减掉90%左右，这个过程需要克服高温和姿态偏差。紧接着，“天问一号”打开降落伞进行伞系减速，当速度降至每秒100米时，通过反推发动机由大气减速阶段进入到动力减速阶段。距离火星地表100米时，“天问一号”进入悬停阶段，完成精避障和缓速下降后，着陆巡视器在缓冲机构的保护下抵达火星表面。
整个着陆过程，“天问一号”需要在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至0米/时。虽然此前我国已有月表着陆经验，但此次“天问一号”火星软着陆任务显然更加艰难：一方面，火星表面大气的密度是地球大气的1%左右，比月球表面环境更复杂；另一方面，火星距离地球更遥远，通信时延达到20分钟左右，相距遥远的地表来不及做任何处置，只能靠“天问一号”自主完成，经历“未知9分钟”。

图片来源：中国航天报

目前，人类火星探测任务成功率仅有5成左右，大部分失败都折戟在“进入/下降/着陆（简称EDL）”这一阶段。“火星探测最大的难点就是EDL，这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆，每个环节都必须确保精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院“天问一号”探测器总设计师孙泽洲强调。
为此，早在EDL前，“天问一号”在火星停泊轨道上就对着陆区进行详查预探测，获取了大量的着陆区地形地貌数据，并对火星尘暴的发生概率进行了评估；同时，火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术，以确保安全着陆。“在上述措施的基础上，我们还在国际上首次采用基于配平翼的弹道—升力式进入方案，以降低火星大气参数不确定性带来的风险，提高适应能力。”孙泽洲说。
银色“冲锋衣”
“天问一号”能够翻越“万水千山”成功着陆火星，有件“法宝”不得不提，就是身上那件由航天科技集团五院529厂历时两年精心研制而成的银色“冲锋衣”。
“天问一号”在向火星靠近的飞行轨道里要经历多次温度循环变化，其中，最高温达100℃，最低温可达零下120℃，这样一个温差200多度的环境对“天问一号”内部设备正常工作的影响极大。此外，空间的高真空特性使得“天问一号”在面对太阳的持续辐照下无法像飞机那样通过热对流或热传导传递热量，因此其向阳表面的温度会持续升高，造成与背阳面的巨大温差。“这种工况导致着陆巡视器内部温度严重不平衡，使得‘天问一号’内部的‘五脏六腑’有的处于寒冷环境，有的处于高温环境，更不要说外部空间里持续不断的高能紫外线与电离辐射对其外表的损耗损伤了。”航天科技集团五院529厂的研制人员指出。

图片来源：中国航天报

因此，给“天问一号”穿件特制的“冲锋衣”就显得尤为必要。据研制人员介绍，这款“冲锋衣”学名为“低吸收—低发射热控涂层”，是一种涂饰在航天器外表面的热控制材料，拥有对太阳光谱辐照的反射能力以及自身的红外辐射特性，能够有效减少空间环境对航天器内部造成的温度影响。“与其他热控涂层一样，‘冲锋衣’通过极低的太阳吸收比，可以长期有效地反射太阳辐照而来的绝大部分能量，有效解决‘天问一号’内部冰火两重天的问题。不同的是，‘冲锋衣’不仅低吸收而且低发射。我们通过降低热控涂层的红外发射率减少真空环境下舱内向外界的辐射漏热，保证着陆巡视器内部设备正常运转的温度，让‘天问一号’的旅程更加安全与舒适。”
当然，这款“冲锋衣”还得抵御外部空间无时不在的高能紫外辐照、原子氧轰击以及多种高能粒子与电离辐射的攻击，可谓“天问一号”奔火旅途中的全效防护服。
“红色星球”上演荒野求生
成功着陆后，“绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步。待一切准备就绪，火星车将自主驶离进入舱，抵达火星表面开始新的征程。
如果只是看图片，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁并无异。事实上，火星上的风速可达每秒180米——这几乎是地球上特大台风风速的3倍还多。如野兽般凶猛的烈风会掀起大量沙尘甚至石块，让“祝融号”火星车的“眼睛”蒙尘，“翅膀”也不再灵活。此外，火星表面密布着石块等障碍物，因此火星车在行驶时必须小心翼翼，以免被障碍物卡住造成操作上的迟滞。

图为北半球上方火星影像

为了让火星车能够在恶劣的环境中“活”下来并顺利完成使命，科研人员专门研发出一种不易沾上灰尘的新型材料，即使沾上也可以通过振动将其抖落。“我们还在实验室中特意摆放了一台一模一样的火星车，当‘祝融号’在火星上遇到复杂路况时，实验室中的这台火星车先进行模拟行驶，确认无误后再向火星发出指令。”航天科技集团五院“天问一号”探测器副总设计师贾阳说。
按照预订计划，90个火星日后，“祝融号”将结束巡视探测工作，环绕器也将进行轨道调整，开展环绕科学探测。
探测火星不仅是工程任务的突破，更是行星科学领域的突破。据悉，除了常规的通讯、能量来源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等外，“天问一号”还携带有13种科学载荷，其中7个分布在火星上空的环绕器上，分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。它们承担着五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究。
后续，“天问一号”在火星上将带给我们什么意想不到的新发现？让我们一起拭目以待！
（光明日报全媒体记者张蕾 通讯员郭睿）
内容：光明日报全媒体记者张蕾 通讯员郭睿
图片：中国航天报、央视财经
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