一文拆解中國火星車著陸全程
天問一號著陸器降落火星（藝術(shù)圖）
撰文 | haibaraemily
責(zé)編 | Steed
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今天清晨，經(jīng)過驚心動魄的九分鐘，中國首個火星車祝融號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)和美國之后，中國成為了第三個成功著陸火星的國家。
祝融號著陸點 | haibaraemily
為了這一天，這輛以中國神話傳說中火神命名的小車，從地球出發(fā)跋涉數(shù)億公里而來，繞著火星等待了足足三個多月。
圖 | 新華社
火箭專家和宇航先驅(qū)齊奧爾科夫斯基說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃中?！?火星是我們探索宇宙重要的一步，或許有生之年人類登上火星，不是那么遙遠的夢想?？茖W(xué)家根據(jù)現(xiàn)有知識，已經(jīng)能對火星生活給出大概的猜測。
2021年2月10日，經(jīng)過6個半月奔火飛行的天問一號 “剎車” 減速（近火制動），順利進入環(huán)火星軌道，成為中國首顆到訪火星的探測器。但天問一號并沒有急著讓祝融號立刻著陸，而是沉著耐心地準(zhǔn)備了三個多月。
除了調(diào)整軌道、測試儀器之外，天問一號還要完成這些準(zhǔn)備工作：
一是 “測地”，用自帶的相機等儀器獲取備選著陸區(qū)的高清地形和地質(zhì)數(shù)據(jù)，為祝融號認真考察著陸區(qū)。
天問一號“掃描”火星表面示意圖 | 航天科技集團
為什么明明已經(jīng)有那么多探測器給火星拍過照了，天問一號還要花時間自己拍照確認著陸區(qū)呢？因為雖然中分辨率影像幾乎覆蓋火星全球，但現(xiàn)有的米級-亞米級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，探測器視場角大的相機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往往視場角小，即使是長年不懈地拍攝，一小張一小張拼起來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-亞米級分辨率影像的覆蓋狀況，紅色是火星勘測軌道器（MRO）搭載的高分辨率成像科學(xué)實驗（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)庫沒覆蓋到的地方，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。
天問一號今年3月傳回的兩張高分辨率相機影像，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節(jié)，能夠滿足為火星車考察著陸區(qū)的需要 | CNSA
二是 “觀天”，為祝融號做氣象預(yù)報，挑選合適的著陸時機。
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，沒有沙塵暴搗亂的時候，這對使用太陽能板供電的祝融號來說尤為重要。
2018年6月，好奇號拍攝的火星全球性大沙塵暴的景象 | NASA
歷史數(shù)據(jù)顯示，祝融號計劃著陸的北半球，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始的幾個月里，有觀測記錄以來從未發(fā)生過沙塵暴。
今年這個火星年，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，接下來的6個月里，著陸地點大概率是晴空萬里、陽光普照。
1996年到2013年（即火星年23-31）間，火星環(huán)繞器觀測記錄的沙塵暴。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 [2]
在此基礎(chǔ)上，行星科學(xué)家還利用現(xiàn)有的火星探測器遙感數(shù)據(jù)（主要是亮溫和陽光透射率數(shù)據(jù)）和著陸區(qū)的實際位置、地形情況，對計劃著陸區(qū)做氣象預(yù)報。綜合判斷，祝融號在五月中旬之后著陸最為穩(wěn)妥。
經(jīng)過這些準(zhǔn)備工作，祝融號終于在今天迎來了著陸。
火星雖然只有稀薄的大氣層，但已經(jīng)足以燒壞高速進入的探測器。因此想要著陸火星的探測器都必須“鎧甲”護身，被打包塞進隔熱的保護罩里，這個罩子叫 “氣動外罩”。
天問一號的著陸平臺和祝融號火星車，一路上都被塞在這個罩子里，直到快要落地才會 “破罩而出”。
天問一號組成結(jié)構(gòu) | 素材來源：航天科技集團
但僅僅加個保護罩還遠遠不夠。從進入火星大氣層，到著陸火星表面，探測器需要從初速度數(shù)公里/秒逐步減速到0，然后穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)芈涞亍Ｓ捎谛盘栄舆t和屏蔽，著陸過程中的所有步驟都需要探測器自主完成，得不到來自地球的任何幫助，稍有差池，就可能殞命火星。
從1960年人類第一次嘗試發(fā)射火星探測器到祝融號之前，一共有16次火星著陸任務(wù)成功進入了火星大氣層，但只有9次任務(wù)成功著陸并順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測器墳場”的稱號。
祝融號之前所有著陸火星并成功開展工作的探測器 | NASA
值得一提的是，這9次任務(wù)全部都是NASA的，而其他國家最接近成功的一次，是蘇聯(lián)的火星3號。
1971年，NASA的水手9號，蘇聯(lián)的火星2號、3號相繼抵達火星。水手9號只有環(huán)繞器沒有著陸計劃，火星2號和3號都攜帶了著陸器和火星車。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，整個火星表面一片模糊。
1971年11月11日，水手9號拍攝的火星。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號著陸器直接著陸失敗，火星3號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能傳全乎 [3]，火星3號著陸器的火星車是否成功釋放，自然也就無從知道了。
火星2號/3號的著陸器（左）和火星車（右） | 維基
嚴(yán)格來說，蘇聯(lián)的火星3號勉強算是第一個成功軟著陸火星表面的探測器，只是沒能順利開展探測工作。給它算0.5次，還算合理吧。
火星3號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年的火星快車號環(huán)繞器攜帶的著陸器小獵犬2號，著陸時失聯(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著陸器，因為打開降落傘后軟件故障而著陸失敗。
不過，幸運的是，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數(shù)據(jù)。
歐空局的小獵犬2號和斯基亞帕雷利號 | ESA
很難說這兩次著陸失敗完全是運氣不好，因為歐空局的下一個火星著陸任務(wù) ExoMars 2022（與俄宇航合作）也因為降落傘測試失敗，錯過了2020發(fā)射窗口。至少從目前看來，歐空局和俄宇航對著陸火星依然有關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)。
著陸火星這短短的幾分鐘，也常常被稱為 “恐怖七分鐘” 甚至 “死亡七分鐘”。
不過，這個 “七分鐘” 其實是那些抵達火星后直接著陸的探測器所需的時間，因為這些探測器在進入火星大氣層時初速度更大，著陸過程所需的時間自然會短一些。
例如洞察號著陸器，進入火星大氣層時速度約為5.5 公里/秒，整個著陸過程花了6分45秒。
而天問一號這樣先剎車入軌再擇機分離著陸的探測器，著陸時間會比7分鐘更長。因為這些探測器在入軌的時候已經(jīng)減過速，所以進入大氣層時的初速度會低不少。
典型的例子是NASA的海盜號任務(wù)，也是先進入環(huán)火星軌道，對著陸區(qū)進行了一個多月的考察之后，才擇機釋放的著陸器。在這種情況下，海盜號著陸器進入火星大氣層的速度是4.6 公里/秒，比洞察號低了16%。這段著陸過程花了大約10分鐘 [4]。
海盜號著陸過程 | NASA《海盜號任務(wù)手冊》[4]
按目前公布的時序來看，天問一號整個著陸過程經(jīng)歷六個階段，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外罩分離；
圖源：科普中國/Kerwis團隊
2）氣動減速段：氣動外罩以4.8公里/秒的速度和合適的角度進入大氣層，利用大氣摩擦減速到460米/秒；
圖源：科普中國/Kerwis團隊
3）傘系減速段：在約11公里高度處打開降落傘，利用降落傘進一步減速到約95米/秒。這一階段內(nèi)還會完成一系列操作，包括拋掉底部隔熱盾，打開著陸平臺的著陸腿，拋掉背罩和降落傘等；
圖源：科普中國/Kerwis團隊
4）動力減速段：利用著陸平臺底部的7500N發(fā)動機點火產(chǎn)生的反沖力，將速度進一步降到約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，達到相對于表面靜止的懸停狀態(tài)，在這個狀態(tài)下調(diào)整水平位置，避開腳下的障礙物；
6）緩沖著陸段：依靠著陸腿緩沖，著陸平臺穩(wěn)穩(wěn)地落在火星表面。
后三個階段和嫦娥三號、四號著陸過程是相似的。
天問一號的“恐怖八分鐘” | 航天科技集團
天問一號的成功著陸，是中國航天史上新的里程碑，標(biāo)志著中國已經(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 “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成功著陸火星的國家/組織。
不過別著急，現(xiàn)在還只是天問一號的著陸平臺踏上了火星。等再過幾天，祝融號從著陸平臺上駛下，用自己的車輪觸碰火星表面，開展巡視工作之后，這個紀(jì)錄還能再次刷新：中國將有望超越蘇聯(lián)，成為繼美國之后世界第二個成功著陸火星并順利開展探測工作的國家/組織。
火星車共攜帶了六種科學(xué)儀器：導(dǎo)航與地形相機（NaTeCam）、多光譜相機（MSCam）、火星表面成分探測儀（MarSCoDe）、火星車磁強計（RoMAG）、次表層雷達（RoPeR）和火星氣象站（MCS）。
注意，這里說的都是 “科學(xué)” 儀器，事實上探測器還會攜帶諸多工程儀器，例如避障相機、監(jiān)視相機、慣導(dǎo)裝置等等。
祝融號火星車科學(xué)儀器大致位置。火星車高約1.85米，重240公斤。圖中火星車外形與實物有一定差異 | 參考資料 [5-7]
其中，一對導(dǎo)航與地形相機位于火星車桅桿頂端，是火星車的 “雙眼”，可以拍攝立體影像，負責(zé)幫助火星車導(dǎo)航和探測火星車沿途的地形地貌。
來源：參考資料 [8]
多光譜相機和表面成分探測儀負責(zé)探測和分析火星表面的巖石類型、礦物成分。
來源：參考資料 [7]
好奇號和毅力號火星車各有一個炫酷的 “激光炮”——它們的化學(xué)相機（ChemCam）和超級相機（SuperCam）使用了一種叫做激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）的技術(shù)。
祝融號的表面成分探測儀也用了這項技術(shù)：通過向目標(biāo)物發(fā)射高能激光脈沖，探測燒蝕激發(fā)出的等離子體冷卻過程中的特征光譜，進而遠程探測出目標(biāo)物的化學(xué)成分。
（左）好奇號化學(xué)相機（ChemCam）的工作原理示意圖；（右）好奇號化學(xué)相機探測目標(biāo)物中含有的化學(xué)成分示例 | NASA
祝融號火星車攜帶了2個磁強計，分別位于桅桿的頂端和底端，負責(zé)探測火星表面的磁場強度。
火星沒有地球、水星那樣內(nèi)部自發(fā)的偶極磁場，但火星的殼層還有一些剩磁。
祝融號的探測結(jié)果既能幫助我們了解火星殼層剩磁的信息，也能與天問一號環(huán)繞器攜帶的磁強計探測結(jié)果相結(jié)合，幫助我們了解太陽風(fēng)與火星高層大氣/電離層的相互作用。
這也將是首個火星表面可移動的磁場探測儀器。
（上）火星全球探勘者號（MGS）在400公里高處獲取的火星殼層磁場分布，火星剩磁有著明顯的南北不對稱性，主要分布在南半球 | 參考文獻 [9]；
（下）祝融號火星磁強計傳感器的結(jié)構(gòu)和封裝后的外觀 | 參考文獻 [10]
次表層雷達通過主動發(fā)射和接收電磁波信號來探測火星車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。
次表層雷達主要原理是：不同物質(zhì)的介電常數(shù)（可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力）不同，因此探測器收到的從不同物質(zhì)分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同；反過來，通過測量到的雷達接收時間和反射強度，就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質(zhì)，每層物質(zhì)有多厚。
次表層雷達的工作原理 | 中科院電子所
與嫦娥三號、四號的測月雷達相似，祝融號也搭載了2個不同頻率的次表層雷達，高頻雷達探測淺部，低頻雷達探測深部，這樣可以兼顧探測深度和探測分辨率。
祝融號的低頻和高頻雷達天線 | 參考文獻 [7]
除了祝融號火星車，天問一號環(huán)繞器和NASA毅力號火星車也攜帶了次表層雷達。綜合分析多個雷達的探測數(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)。
毅力號和天問一號環(huán)繞器的次表層雷達 | NASA、CNSA
火星氣象站可以通過長期觀測火星車附近的氣溫、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)。
祝融號的火星氣象傳感器 | 參考文獻 [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火星車、洞察號著陸器、毅力號火星車，都在長期記錄和播報所在地的氣象數(shù)據(jù)。接下來祝融號的加入，會讓火星氣象網(wǎng)新增一個移動站點（說不定就叫 “祝融站” 呢~）
目前正在工作中的三個火星移動/固定氣象站 | NASA [11]
火星車計劃開展約90個火星日的巡視探測，在此期間，環(huán)繞器會停留在通訊中繼軌道（近火點265公里、遠火點12500公里，周期約8個小時）[7]，為火星車和地球傳遞信息和數(shù)據(jù)。
之后，環(huán)繞器會降軌至科學(xué)探測軌道（近火點265公里、遠火點12000公里），計劃在這個軌道上對火星全球展開1個火星年（約2個地球年）的近距離遙感探測 [7]，同時可以兼顧火星車的數(shù)據(jù)通訊。
不過，眼下我們將迎來的下一個激動時刻，是火星車從著陸平臺上緩緩滑下，用自己的車輪真正踏上火星的紅色土地。
祝融號的下一步行動 | CNSA
讓我們再耐心等待幾天吧～～
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制版編輯 | 盧卡斯
