要想著陸火星，總共分幾步？
撰文 | 石萌 周繼時(shí) 戚鐵磊
哈嘍，小伙伴兒們，
到了我們天問(wèn)一號(hào)著陸火星的“大日子”。
前期“追番”追了這么久，
終于等到了“親密接觸”的一天了，
是不是還有點(diǎn)小激動(dòng)呢？
在這關(guān)鍵的時(shí)刻，
沒(méi)點(diǎn)兒知識(shí)儲(chǔ)備怎么能行？
今天我們就一起來(lái)學(xué)習(xí)，
天問(wèn)一號(hào)著陸火星的幾個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)吧，
敲黑板，漲姿勢(shì)啦!
要想著陸火星，總共分幾步？
答案很簡(jiǎn)單，三步：
第一步是“進(jìn)入”，
第二步是“下降”，
第三步是“著陸”。
也就是傳說(shuō)中的EDL過(guò)程，
E就是Entry，進(jìn)入;
D就是Descent，下降；
L就是Landing，著陸。
目前全世界已進(jìn)行的
21次火星著陸任務(wù)中，
只有9次成功。
之所以難度這么大，
是因?yàn)榈厍蚝突鹦侵g距離遙遠(yuǎn)，
無(wú)線(xiàn)電信號(hào)單程時(shí)延
最長(zhǎng)可達(dá)20分鐘左右。
對(duì)于近地軌道航天器，
工程師們可以在地面
實(shí)時(shí)監(jiān)視、實(shí)時(shí)控制。
一旦出現(xiàn)緊急情況可以及時(shí)“搶救”，
而對(duì)于火星探測(cè)，
航天器以什么姿態(tài)飛行，
什么時(shí)間點(diǎn)火、工作多長(zhǎng)、什么時(shí)候關(guān)機(jī)，
出現(xiàn)問(wèn)題如何處置，
都需要探測(cè)器“自行安排”。
當(dāng)然，最核心、最關(guān)鍵的是
火星大氣影響。
地球上我們可以通過(guò)天氣預(yù)報(bào)知道，
明天是刮風(fēng)、下雨、打雷還是晴天。
隨時(shí)精確測(cè)出
大氣溫度、濕度、風(fēng)速等。
而在火星上，我們沒(méi)辦法預(yù)報(bào)天氣，
也不能準(zhǔn)確知道火星即時(shí)的
大氣密度、氣壓、風(fēng)速等關(guān)鍵信息，
而這些參數(shù)卻直接影響著陸的成敗。
火星全球性的沙塵暴基本每年都有，
持續(xù)時(shí)間能達(dá)幾個(gè)月。
火星大氣密度、大氣風(fēng)場(chǎng)等，
隨季節(jié)、地理位置、著陸時(shí)間等變化。
一頭扎進(jìn)不可確知的大氣環(huán)境，
是一半以上著陸任務(wù)失敗的主要原因。
接下來(lái)我們就分別看看EDL三個(gè)過(guò)程中，
天問(wèn)一號(hào)是怎樣闖關(guān)的吧。
天問(wèn)一號(hào)的EDL旅程，
從火星大氣上邊界（距火面約125km）開(kāi)始，
總的來(lái)說(shuō)，
航天器進(jìn)入擁有大氣層的天體時(shí)，
有以下幾種進(jìn)入方式：
彈道式、半彈道式（或稱(chēng)彈道-升力式）、
跳躍式、橢圓衰減式。
所謂彈道式，
就是航天器在大氣層中飛行時(shí)，
大氣來(lái)流方向
沿著航天器的幾何對(duì)稱(chēng)軸方向，
進(jìn)行“正面剛”，
此時(shí)只有阻力沒(méi)有升力；
除此之外，對(duì)升力不加以控制也歸于此類(lèi)。
這時(shí)的航天器
就像子彈、炮彈一樣“直奔主題”。
這種方式最早見(jiàn)于導(dǎo)彈的彈道設(shè)計(jì)。
我國(guó)的返回式衛(wèi)星，
美蘇的第一代載人飛船，
都是采用此種方式返回地球。
這是航天器
最“樸素”的一種再入方式，
等于直接從太空“扔”進(jìn)大氣層，
這種方式下，
航天器氣動(dòng)總加熱量較小，
但是過(guò)載較大，
落點(diǎn)精度較差。
半彈道式屬于彈道式的升級(jí)2.0版。
在此情況下，大氣來(lái)流方向
沒(méi)有沿著航天器的幾何對(duì)稱(chēng)軸方向，
氣體作用在航天器表面，
不僅產(chǎn)生阻力，也會(huì)產(chǎn)生升力。
有了升力的“扶助”，
航天器會(huì)按一條較為平緩的軌跡下降，
有效減少了過(guò)載，
同時(shí)，通過(guò)升力控制
可以為航天器“定制”航向，
從而提高了落點(diǎn)精度，
但因?yàn)檠娱L(zhǎng)了飛行時(shí)間，
總加熱量增大。
中國(guó)的神舟號(hào)飛船，
美國(guó)的雙子星座，
均使用此類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)再入返回。
跳躍式則是
在半彈道式的基礎(chǔ)上，
“升力plus”的軌道設(shè)計(jì)方法。
航天器以較小的角度進(jìn)入大氣層，
這樣可以產(chǎn)生足夠的升力
使其“一躍而出”。
之后航天器再次進(jìn)入或多次進(jìn)出大氣層，
最終達(dá)到減速的目的。
剛剛載譽(yù)歸來(lái)的嫦娥五號(hào)返回艙
就是一名優(yōu)秀的“跳躍”選手。
最后，橢圓衰減軌道
則是更加“任性”的存在。
它選擇以更加小的進(jìn)入角掠過(guò)大氣層，
而后“繞個(gè)圈圈”
再次重復(fù)上述操作，
每次將橢圓半徑減小一點(diǎn)，
直至最后落入大氣層中，
這種方式無(wú)法預(yù)先選定著陸點(diǎn)，
花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，一般只在緊急情況下，
作為應(yīng)急救援使用。
天問(wèn)一號(hào)采用的是
半彈道式設(shè)計(jì)，
在進(jìn)入段要解決
兩個(gè)最重要的問(wèn)題：
一是“進(jìn)得去”，二是“進(jìn)得穩(wěn)”。
解決“進(jìn)得去”的問(wèn)題，
關(guān)鍵一步就是進(jìn)入角θ的設(shè)置，
如果進(jìn)入角過(guò)大，
航天器 “一頭扎進(jìn)”大氣層中，
會(huì)在進(jìn)入過(guò)程中被燒壞。
如果進(jìn)入角過(guò)小，
航天器將會(huì)“躍出”大氣層，
導(dǎo)致無(wú)法成功進(jìn)入。
經(jīng)過(guò)科學(xué)家和工程師們的精密計(jì)算，
一般采用進(jìn)入角為
十度左右設(shè)計(jì)再入軌跡。
而解決“進(jìn)得穩(wěn)”的問(wèn)題，
就要靠
航天器的攻角η設(shè)計(jì)了，
首先將航天器的質(zhì)心
配置在偏離縱軸的位置上，
使其“不穩(wěn)”，
待航天器進(jìn)入大氣層后，
氣動(dòng)力矩會(huì)逐漸改變它的姿態(tài)。
最終，運(yùn)動(dòng)方向、質(zhì)心、壓心
處于一條直線(xiàn)，
航天器便可維持相對(duì)穩(wěn)定的姿態(tài)，
“抬頭前進(jìn)了”。
這個(gè)“抬頭”角度
就是配平攻角。
整個(gè)航天器
“自我調(diào)節(jié)”至姿態(tài)穩(wěn)定的過(guò)程，
也被稱(chēng)為“攻角配平段”。
它是航天器
“穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)”進(jìn)入大氣層的第一步。
隨后航天器進(jìn)入升力控制段，
自帶的推進(jìn)機(jī)構(gòu)
可以使航天器在一定程度上
HOLD住自身姿態(tài)，
或者改變姿態(tài)以調(diào)整航向，
確?！胺€(wěn)重大方”地造訪(fǎng)火星。
在升力控制段結(jié)束之后，
天問(wèn)一號(hào)將伸出
“小翅膀”（配平翼），
通過(guò)產(chǎn)生反向氣動(dòng)力矩，
抵消質(zhì)心偏移產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩
將進(jìn)入艙“立”起來(lái)，
把攻角減少到0°，
也就是“直面”速度方向，
為開(kāi)傘做準(zhǔn)備。
講到這里，
進(jìn)入段的工作已經(jīng)基本完成，
我們的探測(cè)器
已經(jīng)闖過(guò)了最初“進(jìn)入段”，
接下來(lái)就是降落傘準(zhǔn)備出場(chǎng)減速了。
我們一起來(lái)解鎖著陸技能吧~
地球上載人飛船使用的降落傘，
是在亞音速條件下打開(kāi)使用。
而在火星上使用降落傘，
是在超音速條件下打開(kāi)充氣。
如果不提前把攻角減少到0°，
過(guò)快的速度會(huì)使得
降落傘在拉直過(guò)程中，
“搖擺不定”偏離拉直方向，
造成如傘衣?lián)p壞、傘繩斷裂、
漏氣塌陷等后果，
所以需要提前“擺正姿態(tài)”。
在前期“瘋狂減速”基礎(chǔ)上，
航天器速度已從
4.8km/s減速到數(shù)百米/秒
完成總減速量90%以上，
使得航天器具備傘降條件。
此時(shí)，巡視著陸器“頭頂”
降落傘展開(kāi)，
開(kāi)始在火星上“兜風(fēng)” ，
當(dāng)速度減小至亞音速后，
就可以?huà)伒?/span>
一路以來(lái)“沖鋒在前”的大底。
隨著減速繼續(xù)，
當(dāng)著陸巡視器速度
降至不足百米/秒時(shí)，
靠火面的稀薄大氣
已經(jīng)不能繼續(xù)有效支撐傘降，
降落傘減速效率不再具有優(yōu)勢(shì)，
著陸巡視器就會(huì)
“破殼而出”拋棄背罩，
進(jìn)入動(dòng)力減速段。
從動(dòng)力減速段開(kāi)始，
火星車(chē)和著陸平臺(tái)就要
用自己的“眼睛”去看，
用自己的“力氣”去走，
開(kāi)始為著陸做準(zhǔn)備，
首先是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，
進(jìn)行動(dòng)力減速。
著陸巡視器降至
距離火面百米左右高度時(shí)，
懸停在空中開(kāi)啟雷達(dá)和光學(xué)相機(jī)，
探測(cè)預(yù)選著陸區(qū)，
測(cè)定離火面高度，
對(duì)著陸區(qū)成像，自主分析地形，
選出較為平坦的區(qū)域準(zhǔn)備著陸。
之后瞄準(zhǔn)自主選擇好的
著陸位置，緩速下降，
將自己“小心輕放”于火星表面。
經(jīng)過(guò)這一趟驚險(xiǎn)闖關(guān)，
我們的著陸巡視器
終于踏上紅色大地了
Wuhu~火星，我們來(lái)啦。
小伙伴們也許會(huì)問(wèn)，
為什么落火需要
這么復(fù)雜又驚險(xiǎn)的過(guò)程呢？
我們前期在探月工程中已經(jīng)積累了
很多再入經(jīng)驗(yàn)，
是名副其實(shí)的“老司機(jī)”了，
為何采用這套
復(fù)雜又危險(xiǎn)的組合動(dòng)作呢？
這時(shí)候就要好好講一講區(qū)別了，
火星不同于月球，
月表大氣十分稀薄，
幾乎可以忽略不計(jì)，
而火星表面則是
包圍著“扎實(shí)”的大氣層。
這一方面對(duì)
航天器進(jìn)入加設(shè)了“關(guān)卡”，
另一方面也
提供了“先天”的減速措施，
可以“幫助”航天器在進(jìn)入段依靠氣動(dòng)力
完成主要減速過(guò)程。
大氣帶來(lái)的“先天”減速優(yōu)勢(shì)，
如果換算成燃料效能如何呢？
我們可以對(duì)照探月任務(wù)算一筆賬，
著陸月球要求從15km高度
減速1.7km/s至月面，
而著陸火星是要求從125km高度
減速4.8km/s到達(dá)火星表面。
如果還是按照
僅靠消耗燃料的減速方案，
火星探測(cè)器要攜帶的燃料重量
將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)探測(cè)器本身重量，
所以著陸火星所經(jīng)歷的層層闖關(guān)，
也算是天問(wèn)的“剛需”了。
講到這里，
本階段科普時(shí)間
就可以告一段落了
是不是對(duì)我們的火星探測(cè)
更加憧憬與期待了呢？
這次火星車(chē)所用到的黑科技
還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。
讓我們一起期待
祝融號(hào)在火星的表現(xiàn)吧。
解鎖更多航天知識(shí)，
還請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注中國(guó)探月工程。
下一次，我們火星見(jiàn)啦~
注：參考文獻(xiàn)為《航天器進(jìn)入下降與著陸技術(shù)》（葉培建主編）
制版編輯 | Morgan
