一文拆解中國(guó)火星車(chē)著陸全程
天問(wèn)一號(hào)著陸器降落火星（藝術(shù)圖）
撰文 | haibaraemily
責(zé)編 | Steed
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今天清晨，經(jīng)過(guò)驚心動(dòng)魄的九分鐘，中國(guó)首個(gè)火星車(chē)祝融號(hào)成功穿越火星大氣層，著陸于火星北半球的烏托邦平原南端。
自此，繼蘇聯(lián)和美國(guó)之后，中國(guó)成為了第三個(gè)成功著陸火星的國(guó)家。
祝融號(hào)著陸點(diǎn) | haibaraemily
為了這一天，這輛以中國(guó)神話傳說(shuō)中火神命名的小車(chē)，從地球出發(fā)跋涉數(shù)億公里而來(lái)，繞著火星等待了足足三個(gè)多月。
圖 | 新華社
火箭專(zhuān)家和宇航先驅(qū)齊奧爾科夫斯基說(shuō)過(guò)：“地球是人類(lèi)的搖籃，但人類(lèi)不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃中?！?火星是我們探索宇宙重要的一步，或許有生之年人類(lèi)登上火星，不是那么遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。科學(xué)家根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)，已經(jīng)能對(duì)火星生活給出大概的猜測(cè)。
2021年2月10日，經(jīng)過(guò)6個(gè)半月奔火飛行的天問(wèn)一號(hào) “剎車(chē)” 減速（近火制動(dòng)），順利進(jìn)入環(huán)火星軌道，成為中國(guó)首顆到訪火星的探測(cè)器。但天問(wèn)一號(hào)并沒(méi)有急著讓祝融號(hào)立刻著陸，而是沉著耐心地準(zhǔn)備了三個(gè)多月。
除了調(diào)整軌道、測(cè)試儀器之外，天問(wèn)一號(hào)還要完成這些準(zhǔn)備工作：
一是 “測(cè)地”，用自帶的相機(jī)等儀器獲取備選著陸區(qū)的高清地形和地質(zhì)數(shù)據(jù)，為祝融號(hào)認(rèn)真考察著陸區(qū)。
天問(wèn)一號(hào)“掃描”火星表面示意圖 | 航天科技集團(tuán)
為什么明明已經(jīng)有那么多探測(cè)器給火星拍過(guò)照了，天問(wèn)一號(hào)還要花時(shí)間自己拍照確認(rèn)著陸區(qū)呢？因?yàn)殡m然中分辨率影像幾乎覆蓋火星全球，但現(xiàn)有的米級(jí)-亞米級(jí)高分辨率影像覆蓋率還是太低了。
在拍攝距離相同的情況下，探測(cè)器視場(chǎng)角大的相機(jī)拍出的照片圖幅更大，很容易覆蓋全球，但分辨率較低，而分辨率較高的相機(jī)往往視場(chǎng)角小，即使是長(zhǎng)年不懈地拍攝，一小張一小張拼起來(lái)也需要許多許多年才能覆蓋全球。
這是烏托邦平原一帶現(xiàn)有米級(jí)-亞米級(jí)分辨率影像的覆蓋狀況，紅色是火星勘測(cè)軌道器（MRO）搭載的高分辨率成像科學(xué)實(shí)驗(yàn)（HiRISE）拍攝影像（~0.5米/像素，軌道高度在300公里左右）覆蓋區(qū)域，綠色是火星全球勘測(cè)者（MGS）搭載的MOC拍攝影像（~1.4米/像素，軌道高度在378公里）覆蓋區(qū)域。
每張HiRISE影像覆蓋火星表面6公里寬的區(qū)域 | UArizona/LPL [1]
顯然，我們要是想去現(xiàn)有的火星高分辨率影像數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)覆蓋到的地方，或者雖然已經(jīng)有影像覆蓋，但影像質(zhì)量不夠高的地方，還是靠自己去拍最靠譜。
天問(wèn)一號(hào)今年3月傳回的兩張高分辨率相機(jī)影像，分辨率0.7米/像素（@ 330-350公里高度），可以看出大量地形地貌細(xì)節(jié)，能夠滿足為火星車(chē)考察著陸區(qū)的需要 | CNSA
二是 “觀天”，為祝融號(hào)做氣象預(yù)報(bào)，挑選合適的著陸時(shí)機(jī)。
著陸不僅要挑盡量平坦的地方，還要挑盡可能天朗氣清，日麗風(fēng)和，沒(méi)有沙塵暴搗亂的時(shí)候，這對(duì)使用太陽(yáng)能板供電的祝融號(hào)來(lái)說(shuō)尤為重要。
2018年6月，好奇號(hào)拍攝的火星全球性大沙塵暴的景象 | NASA
歷史數(shù)據(jù)顯示，祝融號(hào)計(jì)劃著陸的北半球，在火星春夏期間沙塵暴最為低發(fā)。特別是從春分到夏至中間開(kāi)始的幾個(gè)月里，有觀測(cè)記錄以來(lái)從未發(fā)生過(guò)沙塵暴。
今年這個(gè)火星年，北半球的春分發(fā)生在2021年2月7日，夏至發(fā)生在2021年8月25日。春分到夏至的正中間，剛好是5月中下旬，接下來(lái)的6個(gè)月里，著陸地點(diǎn)大概率是晴空萬(wàn)里、陽(yáng)光普照。
1996年到2013年（即火星年23-31）間，火星環(huán)繞器觀測(cè)記錄的沙塵暴。注意，起源于北半球的沙塵暴也可能發(fā)展到南半球范圍，反之亦然 | 改編自：參考文獻(xiàn) [2]
在此基礎(chǔ)上，行星科學(xué)家還利用現(xiàn)有的火星探測(cè)器遙感數(shù)據(jù)（主要是亮溫和陽(yáng)光透射率數(shù)據(jù)）和著陸區(qū)的實(shí)際位置、地形情況，對(duì)計(jì)劃著陸區(qū)做氣象預(yù)報(bào)。綜合判斷，祝融號(hào)在五月中旬之后著陸最為穩(wěn)妥。
經(jīng)過(guò)這些準(zhǔn)備工作，祝融號(hào)終于在今天迎來(lái)了著陸。
火星雖然只有稀薄的大氣層，但已經(jīng)足以燒壞高速進(jìn)入的探測(cè)器。因此想要著陸火星的探測(cè)器都必須“鎧甲”護(hù)身，被打包塞進(jìn)隔熱的保護(hù)罩里，這個(gè)罩子叫 “氣動(dòng)外罩”。
天問(wèn)一號(hào)的著陸平臺(tái)和祝融號(hào)火星車(chē)，一路上都被塞在這個(gè)罩子里，直到快要落地才會(huì) “破罩而出”。
天問(wèn)一號(hào)組成結(jié)構(gòu) | 素材來(lái)源：航天科技集團(tuán)
但僅僅加個(gè)保護(hù)罩還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從進(jìn)入火星大氣層，到著陸火星表面，探測(cè)器需要從初速度數(shù)公里/秒逐步減速到0，然后穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)芈涞?。由于信?hào)延遲和屏蔽，著陸過(guò)程中的所有步驟都需要探測(cè)器自主完成，得不到來(lái)自地球的任何幫助，稍有差池，就可能殞命火星。
從1960年人類(lèi)第一次嘗試發(fā)射火星探測(cè)器到祝融號(hào)之前，一共有16次火星著陸任務(wù)成功進(jìn)入了火星大氣層，但只有9次任務(wù)成功著陸并順利開(kāi)展探測(cè)工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測(cè)器墳場(chǎng)”的稱(chēng)號(hào)。
祝融號(hào)之前所有著陸火星并成功開(kāi)展工作的探測(cè)器 | NASA
值得一提的是，這9次任務(wù)全部都是NASA的，而其他國(guó)家最接近成功的一次，是蘇聯(lián)的火星3號(hào)。
1971年，NASA的水手9號(hào)，蘇聯(lián)的火星2號(hào)、3號(hào)相繼抵達(dá)火星。水手9號(hào)只有環(huán)繞器沒(méi)有著陸計(jì)劃，火星2號(hào)和3號(hào)都攜帶了著陸器和火星車(chē)。那一年，蘇聯(lián)距離首次完成 “繞、著、巡” 三大任務(wù)只有一步之遙。
然而，好巧不巧，它們碰上了火星全球性的沙塵暴，整個(gè)火星表面一片模糊。
1971年11月11日，水手9號(hào)拍攝的火星。上方的黑斑是火星最高峰奧林帕斯火山 | NASA/JPL
兩眼一抹黑被草草扔下的火星2號(hào)著陸器直接著陸失敗，火星3號(hào)著陸器雖然成功著陸，但僅20秒后就迅速失聯(lián)，連拍攝的第一張照片都沒(méi)能傳全乎 [3]，火星3號(hào)著陸器的火星車(chē)是否成功釋放，自然也就無(wú)從知道了。
火星2號(hào)/3號(hào)的著陸器（左）和火星車(chē)（右） | 維基
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，蘇聯(lián)的火星3號(hào)勉強(qiáng)算是第一個(gè)成功軟著陸火星表面的探測(cè)器，只是沒(méi)能順利開(kāi)展探測(cè)工作。給它算0.5次，還算合理吧。
火星3號(hào)著陸器傳回的唯一一張“照片” | 蘇聯(lián) [3]
歐空局也在21世紀(jì)里挑戰(zhàn)了兩次火星著陸，但均告失敗。
一次是2003年的火星快車(chē)號(hào)環(huán)繞器攜帶的著陸器小獵犬2號(hào)，著陸時(shí)失聯(lián)；另一次是2016年的痕量氣體軌道器（TGO）攜帶的斯基亞帕雷利號(hào)著陸器，因?yàn)榇蜷_(kāi)降落傘后軟件故障而著陸失敗。
不過(guò)，幸運(yùn)的是，兩艘環(huán)繞器都非常健康，一直工作至今，獲取了許多珍貴的火星探測(cè)數(shù)據(jù)。
歐空局的小獵犬2號(hào)和斯基亞帕雷利號(hào) | ESA
很難說(shuō)這兩次著陸失敗完全是運(yùn)氣不好，因?yàn)闅W空局的下一個(gè)火星著陸任務(wù) ExoMars 2022（與俄宇航合作）也因?yàn)榻德鋫銣y(cè)試失敗，錯(cuò)過(guò)了2020發(fā)射窗口。至少?gòu)哪壳翱磥?lái)，歐空局和俄宇航對(duì)著陸火星依然有關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)。
著陸火星這短短的幾分鐘，也常常被稱(chēng)為 “恐怖七分鐘” 甚至 “死亡七分鐘”。
不過(guò)，這個(gè) “七分鐘” 其實(shí)是那些抵達(dá)火星后直接著陸的探測(cè)器所需的時(shí)間，因?yàn)檫@些探測(cè)器在進(jìn)入火星大氣層時(shí)初速度更大，著陸過(guò)程所需的時(shí)間自然會(huì)短一些。
例如洞察號(hào)著陸器，進(jìn)入火星大氣層時(shí)速度約為5.5 公里/秒，整個(gè)著陸過(guò)程花了6分45秒。
而天問(wèn)一號(hào)這樣先剎車(chē)入軌再擇機(jī)分離著陸的探測(cè)器，著陸時(shí)間會(huì)比7分鐘更長(zhǎng)。因?yàn)檫@些探測(cè)器在入軌的時(shí)候已經(jīng)減過(guò)速，所以進(jìn)入大氣層時(shí)的初速度會(huì)低不少。
典型的例子是NASA的海盜號(hào)任務(wù)，也是先進(jìn)入環(huán)火星軌道，對(duì)著陸區(qū)進(jìn)行了一個(gè)多月的考察之后，才擇機(jī)釋放的著陸器。在這種情況下，海盜號(hào)著陸器進(jìn)入火星大氣層的速度是4.6 公里/秒，比洞察號(hào)低了16%。這段著陸過(guò)程花了大約10分鐘 [4]。
海盜號(hào)著陸過(guò)程 | NASA《海盜號(hào)任務(wù)手冊(cè)》[4]
按目前公布的時(shí)序來(lái)看，天問(wèn)一號(hào)整個(gè)著陸過(guò)程經(jīng)歷六個(gè)階段，從第二階段直至著陸大約需要8-9分鐘：
1）著陸準(zhǔn)備段：環(huán)繞器調(diào)整姿態(tài)和軌道，與裝著著陸巡視組合體的氣動(dòng)外罩分離；
圖源：科普中國(guó)/Kerwis團(tuán)隊(duì)
2）氣動(dòng)減速段：氣動(dòng)外罩以4.8公里/秒的速度和合適的角度進(jìn)入大氣層，利用大氣摩擦減速到460米/秒；
圖源：科普中國(guó)/Kerwis團(tuán)隊(duì)
3）傘系減速段：在約11公里高度處打開(kāi)降落傘，利用降落傘進(jìn)一步減速到約95米/秒。這一階段內(nèi)還會(huì)完成一系列操作，包括拋掉底部隔熱盾，打開(kāi)著陸平臺(tái)的著陸腿，拋掉背罩和降落傘等；
圖源：科普中國(guó)/Kerwis團(tuán)隊(duì)
4）動(dòng)力減速段：利用著陸平臺(tái)底部的7500N發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火產(chǎn)生的反沖力，將速度進(jìn)一步降到約1.5米/秒；
圖源：CNSA
5）懸停避障段：在距離火星表面100米高度處將速度減到0，達(dá)到相對(duì)于表面靜止的懸停狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下調(diào)整水平位置，避開(kāi)腳下的障礙物；
6）緩沖著陸段：依靠著陸腿緩沖，著陸平臺(tái)穩(wěn)穩(wěn)地落在火星表面。
后三個(gè)階段和嫦娥三號(hào)、四號(hào)著陸過(guò)程是相似的。
天問(wèn)一號(hào)的“恐怖八分鐘” | 航天科技集團(tuán)
天問(wèn)一號(hào)的成功著陸，是中國(guó)航天史上新的里程碑，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)掌握了安全著陸火星的一系列復(fù)雜技術(shù)，也意味著中國(guó) “后發(fā)先至”，在兩度挑戰(zhàn)火星著陸失敗的歐空局之前完成了火星著陸，成為繼蘇美之后第三個(gè)成功著陸火星的國(guó)家/組織。
不過(guò)別著急，現(xiàn)在還只是天問(wèn)一號(hào)的著陸平臺(tái)踏上了火星。等再過(guò)幾天，祝融號(hào)從著陸平臺(tái)上駛下，用自己的車(chē)輪觸碰火星表面，開(kāi)展巡視工作之后，這個(gè)紀(jì)錄還能再次刷新：中國(guó)將有望超越蘇聯(lián)，成為繼美國(guó)之后世界第二個(gè)成功著陸火星并順利開(kāi)展探測(cè)工作的國(guó)家/組織。
火星車(chē)共攜帶了六種科學(xué)儀器：導(dǎo)航與地形相機(jī)（NaTeCam）、多光譜相機(jī)（MSCam）、火星表面成分探測(cè)儀（MarSCoDe）、火星車(chē)磁強(qiáng)計(jì)（RoMAG）、次表層雷達(dá)（RoPeR）和火星氣象站（MCS）。
注意，這里說(shuō)的都是 “科學(xué)” 儀器，事實(shí)上探測(cè)器還會(huì)攜帶諸多工程儀器，例如避障相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、慣導(dǎo)裝置等等。
祝融號(hào)火星車(chē)科學(xué)儀器大致位置。火星車(chē)高約1.85米，重240公斤。圖中火星車(chē)外形與實(shí)物有一定差異 | 參考資料 [5-7]
其中，一對(duì)導(dǎo)航與地形相機(jī)位于火星車(chē)桅桿頂端，是火星車(chē)的 “雙眼”，可以拍攝立體影像，負(fù)責(zé)幫助火星車(chē)導(dǎo)航和探測(cè)火星車(chē)沿途的地形地貌。
來(lái)源：參考資料 [8]
多光譜相機(jī)和表面成分探測(cè)儀負(fù)責(zé)探測(cè)和分析火星表面的巖石類(lèi)型、礦物成分。
來(lái)源：參考資料 [7]
好奇號(hào)和毅力號(hào)火星車(chē)各有一個(gè)炫酷的 “激光炮”——它們的化學(xué)相機(jī)（ChemCam）和超級(jí)相機(jī)（SuperCam）使用了一種叫做激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）的技術(shù)。
祝融號(hào)的表面成分探測(cè)儀也用了這項(xiàng)技術(shù)：通過(guò)向目標(biāo)物發(fā)射高能激光脈沖，探測(cè)燒蝕激發(fā)出的等離子體冷卻過(guò)程中的特征光譜，進(jìn)而遠(yuǎn)程探測(cè)出目標(biāo)物的化學(xué)成分。
（左）好奇號(hào)化學(xué)相機(jī)（ChemCam）的工作原理示意圖；（右）好奇號(hào)化學(xué)相機(jī)探測(cè)目標(biāo)物中含有的化學(xué)成分示例 | NASA
祝融號(hào)火星車(chē)攜帶了2個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，分別位于桅桿的頂端和底端，負(fù)責(zé)探測(cè)火星表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
火星沒(méi)有地球、水星那樣內(nèi)部自發(fā)的偶極磁場(chǎng)，但火星的殼層還有一些剩磁。
祝融號(hào)的探測(cè)結(jié)果既能幫助我們了解火星殼層剩磁的信息，也能與天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器攜帶的磁強(qiáng)計(jì)探測(cè)結(jié)果相結(jié)合，幫助我們了解太陽(yáng)風(fēng)與火星高層大氣/電離層的相互作用。
這也將是首個(gè)火星表面可移動(dòng)的磁場(chǎng)探測(cè)儀器。
（上）火星全球探勘者號(hào)（MGS）在400公里高處獲取的火星殼層磁場(chǎng)分布，火星剩磁有著明顯的南北不對(duì)稱(chēng)性，主要分布在南半球 | 參考文獻(xiàn) [9]；
（下）祝融號(hào)火星磁強(qiáng)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝后的外觀 | 參考文獻(xiàn) [10]
次表層雷達(dá)通過(guò)主動(dòng)發(fā)射和接收電磁波信號(hào)來(lái)探測(cè)火星車(chē)沿途地下的淺表層結(jié)構(gòu)，例如風(fēng)化層厚度、地下淺層結(jié)構(gòu)、水冰分布等。
次表層雷達(dá)主要原理是：不同物質(zhì)的介電常數(shù)（可以簡(jiǎn)單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測(cè)器收到的從不同物質(zhì)分界面反射回來(lái)的電磁波的時(shí)間和強(qiáng)度就會(huì)不同；反過(guò)來(lái)，通過(guò)測(cè)量到的雷達(dá)接收時(shí)間和反射強(qiáng)度，就可以反推這些雷達(dá)信號(hào)穿過(guò)了哪些不同的物質(zhì)，每層物質(zhì)有多厚。
次表層雷達(dá)的工作原理 | 中科院電子所
與嫦娥三號(hào)、四號(hào)的測(cè)月雷達(dá)相似，祝融號(hào)也搭載了2個(gè)不同頻率的次表層雷達(dá)，高頻雷達(dá)探測(cè)淺部，低頻雷達(dá)探測(cè)深部，這樣可以兼顧探測(cè)深度和探測(cè)分辨率。
祝融號(hào)的低頻和高頻雷達(dá)天線 | 參考文獻(xiàn) [7]
除了祝融號(hào)火星車(chē)，天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器和NASA毅力號(hào)火星車(chē)也攜帶了次表層雷達(dá)。綜合分析多個(gè)雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)，可以幫助我們了解火星上不同區(qū)域、不同深度的次表層結(jié)構(gòu)。
毅力號(hào)和天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器的次表層雷達(dá) | NASA、CNSA
火星氣象站可以通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)火星車(chē)附近的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)，為我們了解火星的氣象狀況，追溯火星的氣候變化歷史積累數(shù)據(jù)。
祝融號(hào)的火星氣象傳感器 | 參考文獻(xiàn) [7]
火星氣象站是火星著陸任務(wù)的常備組件，如今正在火星表面工作的好奇號(hào)火星車(chē)、洞察號(hào)著陸器、毅力號(hào)火星車(chē)，都在長(zhǎng)期記錄和播報(bào)所在地的氣象數(shù)據(jù)。接下來(lái)祝融號(hào)的加入，會(huì)讓火星氣象網(wǎng)新增一個(gè)移動(dòng)站點(diǎn)（說(shuō)不定就叫 “祝融站” 呢~）
目前正在工作中的三個(gè)火星移動(dòng)/固定氣象站 | NASA [11]
火星車(chē)計(jì)劃開(kāi)展約90個(gè)火星日的巡視探測(cè)，在此期間，環(huán)繞器會(huì)停留在通訊中繼軌道（近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12500公里，周期約8個(gè)小時(shí)）[7]，為火星車(chē)和地球傳遞信息和數(shù)據(jù)。
之后，環(huán)繞器會(huì)降軌至科學(xué)探測(cè)軌道（近火點(diǎn)265公里、遠(yuǎn)火點(diǎn)12000公里），計(jì)劃在這個(gè)軌道上對(duì)火星全球展開(kāi)1個(gè)火星年（約2個(gè)地球年）的近距離遙感探測(cè) [7]，同時(shí)可以兼顧火星車(chē)的數(shù)據(jù)通訊。
不過(guò)，眼下我們將迎來(lái)的下一個(gè)激動(dòng)時(shí)刻，是火星車(chē)從著陸平臺(tái)上緩緩滑下，用自己的車(chē)輪真正踏上火星的紅色土地。
祝融號(hào)的下一步行動(dòng) | CNSA
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制版編輯 | 盧卡斯
