天问一号即将经历“恐怖七分钟”，着陆火星
本文来自微信公众号：学术头条（ID：SciTouTiao），作者：陈小美，原文标题：《中国航天史上最重磅大戏！中国火星车即将着陆火星乌托邦平原！》，题图来自：视觉中国
中国的探测器，还从未如此近距离接近火星。
绕着火星飞了三个多月的中国火星探测器将要开始着陆尝试。根据国家航天局消息，天问一号探测器拟于北京时间 5 月 15 日凌晨至 5 月 19 日期间择机着陆于火星乌托邦平原。
中国首次火星探测任务天问一号探测器将要一次性完成 “绕、落、巡” 的工作。今年 2 月，天问一号成功实施第三次近火制动，进入火星停泊轨道，已经完成 3 个月的绕飞工作。着陆阶段则是本次任务的重头，也是技术难点所在。
图 | 天问一号登陆火星概念图
如果着陆成功，祝融号将成为人类史上第六台探索火星表面的火星车。而在此之前，只有美俄两国成功实现过软着陆。
扎进火星大气
根据运行情况，祝融号火星车按照预期最有可能于 5 月 15 日上午 7 点左右着陆火星乌托邦平原。
光是要找到最合适的降落地点也一点都不容易，除了在出发前先根据已有的火星表面信息，选择多个备选方案，探测器过去 3 个月时间里，在火星轨道上环绕飞行的同时，也在观察和收集相关数据，为着陆做准备。
火星表面有悬崖、洞口、沟壑，还有一堆乱七八糟的石头，落点没找好的结果，可能就是大老远送去的火星车在落地瞬间即翻车。
图｜火星
着陆过程一直是火星探测中最凶险的一个环节，被称为 “恐怖七分钟”。
在进入大气层前，探测器的速度约为 4.9 公里 / 秒，要实现软着陆，探测器需要在不到十分钟的时间内将速度降到 0。
着陆火星减速过程包括大气减速、气动减速、降落伞减速、反推发动机减速等，任何一个步骤都不能有差错，直至软着陆在火星表面。
降落火星的第一个难题，就是进入大气层。
难就难在探测器需要以最完美的角度切入大气层。角度太小就会像打水漂一样，被反弹出大气层。角度太大也不行，空气阻力会变得特别大，温度升高导致燃烧、融化。
在冲进大气之后，探测器开始减速，火星大气是 “拦下” 探测器的重要因素。这就是气动减速，祝融号要用 290 秒左右将速度降至 460 米 / 秒。
高速、高温为探测器带来了巨大挑战。航天科技集团五院、火星探测器总体副主任设计师谭志云曾在接受采访时表示，大气减速的时候要面临高温的过程，还有气动带来的姿态的偏差，这都会对减速造成不利的影响。
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视频｜中国首次火星探测任务的演示动画
扛过这一关考验的是探测器的气动外形和放热结构。只要经受住了考验，探测器的速度就能减少 90%。
接下来，像载人飞船返回地球表面一样，打开降落伞，是祝融号减速的第二步。降落伞的任务，是在约 90 秒的时间里，把速度降至约每秒 100 米。
只要到这一步，祝融号自己的发动机才会准备开机反推。这就进入了动力下降阶段，探测器上的变推力发动机开机，靠自身动力主动反推减速。
走到这一步，80秒~100 秒时间已经过去，不过地球上的人还是无法收到任何信息。
理想情况下，经过周密计算，祝融号会通过一系列减速，到达预定地点，不过还不能着急落地。距离地面 100 米左右时，探测器进入悬停状态。最后用各种探测器看看下方的火星表明能不能安全降落。
祝融号上的微波测距测速敏感器对地面进行测量，光学相机、三位激光相机也会对地面进行成像。若发现地面不平整， 降落还存在风险， 祝融号会在发动机的帮助下，先进行平移， 直到确认地面适合降落。
当自主确定着陆区域后，着陆巡视器会在缓冲机构和气囊的保护下，抵达火星表面。
如果进展顺利，地球上的监测站会在探测器触地后 10 多分钟后收到相关的信号和降落时的拍摄画面。
短暂而唯一的机会
因为距离原因，火星发射信号到地球能接收到，用时超过 10 分钟。所以，从收到前方信息，再发出信号进行人工干预，信号传输需要超过 20 分钟时间。
因此，探测器的着陆全程只能靠自己进行。一旦进入了火星大气层，就必须按照预定的时序进行预定动作，没有任何人工干预的成分。
从技术上来说，火星着陆的难点在于复杂的环境。比如火星表面有稀薄的大气，密度相当于地球的百分之一。探测器要依靠大气减速，但目前对火星大气的了解还相对有限。
中国倒是有丰富的载人航天经验，载人飞船在回地球时也需要利用大气减速。但火星密度相当于地球的百分之一，因此对航天器的结构、外形、材料都有不同的设计。
此外，火星着陆相比飞向火星、环绕，几乎没有容错率，被称为 “短暂而唯一” 的一环。
据新京报报道，中国航天科技集团五院研究员、天问一号探测器总设计师孙泽洲接受时表示，进入火星大气的过程 “开弓没有回头箭”，探测器必须具备足够的智能，判断所有突发情况。“其他几个过程在时间上都没有那么苛刻的条件，遇到状况可以等一等，但着陆的过程没法暂停。”
为了这唯一的着陆过程，祝融号也准备了很久。
今年 2 月，中国的天问一号、美国的毅力号和阿联酋的希望号探测器经过 6 个半月的飞行之后，都先后到达了火星。
图 | 毅力号概念图
虽然天问一号比毅力号早了约 10 天到达，但毅力号压根就没有带环绕器，没有环绕火星飞行的能力，到达火星之后，毅力号就直接把巡航器一扔， 火星车塞在气动外罩里直接扎进火星大气层。
但天问一号则一直绕着火星飞，进行了三个月时间的勘探和准备。
在进入环火星轨道之后，来自中国的探测器终于可以近距离地好好看看这个神秘的红色星球。也只有在更近的距离上，各种传感器才有办法获得精度更高的地形信息，为着陆做准备。
事实上，毅力号能够到达即着陆，正是因为 NASA 早早就为它规划好的了路线，美国至今在环火星轨道上留有探测器，在毅力号出发之前就画好了一份着陆区附近的高精地图。毅力号只需要要算好了按计划别飞歪了就行。
中国的探测器此前从未成功到访火星，因此天问一号则相当于，需要自己先在环火星轨道上，近距离看清楚地形之后，再找准地方着陆。
另一方面，现在环火星轨道上绕飞，有时间等个合适的着陆天气。火星着陆也需要看天，火星表面时常会有沙尘暴，除了影响探测，更影响太太阳光照射。不同于毅力号直接带了一个核电池给自己供电，对依赖太阳能供电的祝融号来说，在天气方面需要更加谨慎。
还有一点，天问一号环绕器在环地球轨道上已经开始了丰富的探测计划，重要性并不亚于祝融号直接落到火星表面，环绕器上的 7 台探测仪器，如今已经工作了 3 个月时间。其中包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。
与此同时，环绕器需要持续绕火飞行，作为火星车和地球之间的通讯中继，在进行科学探测的同时，也担任了通信卫星的角色。
天问一号环绕器的运行像一个前哨站，同样给未来的火星探测，打下一个重要的基础。
第一台中国火星车
如果着陆顺利，这会是中国第一次把探测器送到火星表面。
这么难得的一次机会，祝融号也在有限的小身子里，把能带的东西都一口气塞下带去了火星。
“祝融号” 火星车的高度有 1.85 米，重量达到 240 公斤左右。车上 6 种有效荷载包括了地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪。
第一次到火星，对祝融号来说，火星上的一起事物几乎都是新的。带着这一套传感器，祝融号将在火星上开展地表成分、物质类型分布、地质结构以及火星气象环境等探测工作。
也别忘了在天上的天问一号环绕器，它也将和祝融号一起，一个在天，一个在地，探测火星表面的地形、土壤、水、大气电离层，甚至寻找生命迹象等。
据了解，祝融号将要着陆的乌托邦平原地势平坦，是古代海洋的海床，光照充足，年平均气温高达 - 30 到 -20 摄氏度，也被戏称为是未来人类登火的最佳地点之一。
碰巧的是， 毅力号也在附近，祝融号登陆火星的地点，距离 NASA 毅力号着陆的位置大概有 1800 公里。来自中美两国的探测器从地球的两端出发，经过半年多的飞行，最终在上亿公里之外的红色星球上，成了邻居。
本文来自微信公众号：学术头条（ID：SciTouTiao），作者：陈小美
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