“天問一號”登陸火星表面，未來將會面臨哪些挑戰(zhàn)
圖片來自航天八院
自“天問一號”成功進(jìn)入火星軌道后，接下來我們將迎接它下一階段的任務(wù)，即登陸火星表面，預(yù)計會在5、6月份著陸火星表面。
近日，國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務(wù)新聞發(fā)言人劉彤杰表示，天問一號后續(xù)至少還要闖兩關(guān)，方能圓滿實(shí)現(xiàn)探測目標(biāo)。
其一，當(dāng)探測器完成環(huán)繞任務(wù)后需要尋找一個非常好的小窗口，讓它進(jìn)入到火星大氣；其二，軟著陸在火星表面還不算做完工作，因?yàn)槲覀冞€要把火星車釋放到火星表面上，讓它走起來并開展探測，火星車上有6個科學(xué)儀器要發(fā)揮作用，難度也很大，因?yàn)槲覀儗鹦潜砻娴沫h(huán)境認(rèn)知還是相當(dāng)少的。
本文作者亦對“天問一號”現(xiàn)階段取得的突破以及未來即將面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行逐一分析。
撰文 | 龐之浩（全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
責(zé)編 | 葉水送
2月10日，“天問一號”順利進(jìn)入火星軌道，總的來說，“天問一號”環(huán)繞器主要取得了以下四個突破。
天問一號抵達(dá)火星附近時，相對于火星的速度約為4～5千米/秒，因此，環(huán)繞器在接近火星后要抓住唯一的機(jī)會制動減速，實(shí)現(xiàn)對火星的捕獲。捕獲時探測器距離火星最近僅400千米，稍有偏差就會撞擊火星或飛離。由于單向通信時延達(dá)到了約11分鐘，所以只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲。
捕獲過程中，天問一號環(huán)繞器要準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)火制動，即“踩剎車”?！安葎x車”的時機(jī)確定依賴于精確的軌道預(yù)報和精準(zhǔn)的器地校時，“踩剎車”的時長取決于發(fā)動機(jī)和控制系統(tǒng)工作的可靠性。為了精確把控發(fā)動機(jī)的開關(guān)時機(jī)，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進(jìn)行精確的無線電測定軌，再結(jié)合從環(huán)繞器上光學(xué)自主導(dǎo)航儀器中獲得的導(dǎo)航信息，得到環(huán)繞器的精確位置。在制動過程中，依靠可靠的系統(tǒng)硬件配置和捕獲策略設(shè)計，可確保探測器處于“捕獲走廊”直至進(jìn)入環(huán)火捕獲軌道。
天問一號軌道示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）
環(huán)繞器距離地面最遠(yuǎn)達(dá)到了4億公里，到達(dá)接收端的信號極其微弱，時間延遲是月球探測器的1000倍，信號衰減是月球探測器的100萬倍。為此，研制團(tuán)隊(duì)研制了以超高靈敏度的數(shù)字化應(yīng)答機(jī)和大口徑可兩維驅(qū)動天線為核心的X頻段測控數(shù)傳一體化測控系統(tǒng)。
超高靈敏度的應(yīng)答機(jī)可讓環(huán)繞器練能夠在嘈雜的噪聲中準(zhǔn)確捕捉到一絲微弱的有用信號，正確解析并執(zhí)行地面的指令。
大口徑可兩維驅(qū)動天線讓環(huán)繞器通過精準(zhǔn)的兩維指向控制，將天線實(shí)時對準(zhǔn)數(shù)億公里外的地球，盡可能多的收集信號能量，并傳遞給應(yīng)答機(jī)。同時，大口徑天線也有“聚音成束”的功能，將環(huán)繞器在火星看到的、感知到的信息，億萬里傳音到地球。
環(huán)繞器為火星車提供中繼通信服務(wù)示意圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）
由于火星環(huán)繞器地距離遠(yuǎn)，通信延時大，探測器與地面站通信還存在獨(dú)特的“日凌”現(xiàn)象，為此研制了高度集成的小型化綜合電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)器務(wù)管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進(jìn)控制、機(jī)構(gòu)驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲功能的一體化，為綜合信息自主管理奠定了硬件基礎(chǔ)。通過設(shè)計多系統(tǒng)多模式器上信息綜合自主處理方法，來保證一級故障任務(wù)正常執(zhí)行，二級故障整器安全。通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)繞器在軌自主運(yùn)行大于30天的能力。
除了地面無線電導(dǎo)航支持外，環(huán)繞器還配備了光學(xué)導(dǎo)航敏感器和紅外導(dǎo)航敏感器，具備自主定位的能力。
在火星捕獲制動階段，由于遠(yuǎn)離地面的距離遙遠(yuǎn)，所以環(huán)繞器要結(jié)合器上自主導(dǎo)航手段，快速提供高精度軌道數(shù)據(jù)。光學(xué)導(dǎo)航敏感器采用恒星姿態(tài)識別+硬脈沖校時確保時空對準(zhǔn)，通過亞像素級圖像處理獲取火星輪廓并解算出自身位置。此外，環(huán)繞器還配備了紅外導(dǎo)航敏感器，采用可見光譜段和長波紅外譜段復(fù)合探測方式，通過對火星凝視成像，檢測火星圖像邊緣，輔助環(huán)繞器完成軌道測量。兩臺導(dǎo)航敏感器實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞器不同階段的精確位置自主確定，即使沒有外部導(dǎo)航信息，火星環(huán)繞器也能夠在遙遠(yuǎn)深空中自主找到前進(jìn)的道路。
中國行星探測工程圖形標(biāo)識。展示了獨(dú)特字母“C”的形象，匯聚了中國行星探測（China）、國際合作精神（Cooperation）、深空探測進(jìn)入太空的能力（C3）等多重含義，展現(xiàn)出中國航天開放合作的理念與態(tài)度（來源：國家航天局）
在完成火星探測任務(wù)中，最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是著陸巡視器在火星著陸。這是由于火星距離地球遙遠(yuǎn)，測控信號十分微弱，且延時達(dá)10分鐘以上，所以必須提前給著陸巡視器注入數(shù)據(jù)，使它完全自主精確地闖過氣動減速、降落減速、制動減速、著陸減速等一系列難關(guān)，任何步驟都不能有一點(diǎn)失誤。其難度被形容為相當(dāng)于從巴黎打一個高爾夫球，正好落到東京的某個洞里；其著陸過程也被稱為“恐怖的7分鐘”，成功率不到50%。
所以，安全著陸是火星探測任務(wù)最艱巨的挑戰(zhàn)之一。為此，2019年11月14日，我國在位于河北懷來亞洲最大的地外天體著陸綜合試驗(yàn)場，成功模擬了著陸器在火星重力環(huán)境下（火星重力加速度約為地球的1/3）懸停、避障、緩速下降的過程，對其設(shè)計正確性進(jìn)行了綜合驗(yàn)證，也為火星探測任務(wù)的如期實(shí)施奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
在地外天體著陸綜合試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)（來源：網(wǎng)絡(luò)）
據(jù)火星車專家賈陽介紹，探測器首先瞄準(zhǔn)進(jìn)入火星大氣層的一個窄窄的進(jìn)入走廊，角度太大會導(dǎo)致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈，角度太小又實(shí)現(xiàn)不了進(jìn)入火星大氣層的目標(biāo)。
經(jīng)過大量研究和實(shí)踐，目前探測器在火星軟著陸方式主要有三種，每種方案都各有優(yōu)缺點(diǎn)。
一種是氣囊彈跳式。這種方式比較簡單，成本低，但只能滿足重量小的火星探測器軟著陸要求，且著陸精度不高。美國“火星探路者”、勇氣號和機(jī)遇號火星車都采用這種方式，即降落傘＋氣囊彈跳方式著陸。由于探測器是被氣囊包裹住，所以剛著陸時會被彈起10層樓高，然后經(jīng)過多次彈跳，逐漸降低彈跳高度，最后在火星表面著陸。
另一種是反推著陸腿式。這種著陸方式復(fù)雜一些，成本高，但可滿足重量較大的探測器在火星軟著陸要求，著陸精度較高。美國的海盜號、鳳凰號和洞察號以及我國的天問一號都采用都采用這種方式，即降落傘＋緩沖發(fā)動機(jī)反推＋著陸腿方式著陸，著陸腿在著陸是能起到一定緩沖作用。
第三種是空中起重機(jī)式。這種著陸方式最為復(fù)雜，成本最高，技術(shù)最先進(jìn)，可滿足重量更大的探測器軟著陸要求，能精確著陸。美國攜帶好奇號火星車的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”飛行器和今年攜帶毅力號火星車的火星-2020探測器都采用這種方式，即降落傘＋緩沖發(fā)動機(jī)反推＋空中起重機(jī)方式著陸。
據(jù)航天科技集團(tuán)包為民院士介紹，我國天問一號中的著陸巡視器將在2021年5月采用反推著陸腿式在火星表面，具體著陸過程分以下4個階段。
（1）先是氣動減速段，靠火星大氣的阻力，用約290秒把速度從4.8千米/秒減速到460米/秒。由此可見，氣動減速段是最主要的減速階段。
（2）然后實(shí)施傘降減速段，探測器打開降落傘，用約90秒把速度由460米/秒降到95米/秒。在這1分鐘多的時間里，要關(guān)注火星大氣層中風(fēng)的速度和方向，風(fēng)太大會影響著陸點(diǎn)的精度，甚至影響著陸安全。
（3）接著進(jìn)入到動力減速段，探測器要把大底和背罩拋掉，露出了著陸平臺和火星車。平臺上的大推力發(fā)動機(jī)開始工作，進(jìn)一步減速，用80秒把速度減小到3.6米/秒。
（4）最后是著陸緩沖段，在高度降為100米的時候速度基本上降到0，進(jìn)行懸停避障，觀察地面，尋找最安全的著陸地點(diǎn)，最后通過4個著陸腿的緩沖作用在火星表面軟著陸。
整個過程短暫又復(fù)雜，地面沒有干預(yù)的機(jī)會，完全靠探測器自主決定各個動作執(zhí)行的時機(jī)。
我國火星車模型（來源：網(wǎng)絡(luò)）
雖然火星比地球小，但是要在其約一億四千萬平方公里的火星表面，為火星探測器選擇一個合適的著陸點(diǎn)，并不是一件容易的事情，它必須滿足兩個最基本的條件：
一是在工程上可實(shí)施。比如，著陸地點(diǎn)要相對開闊平坦，那里的地形不應(yīng)該過于崎嶇不平，以便在探測器著陸時不受到損壞，著陸安全是第一位的，如果不安全，其它方面將不予考慮；另外還要能與地球進(jìn)行測控通信，光照比較充足等。
二是在科研上有價值，是研究人員十分感興趣的地方。比如，著陸地點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造、物質(zhì)元素比較豐富，其他國家沒有探測過，因?yàn)榭臻g探測的成果，只有世界第一，沒有國內(nèi)第一。所以，選擇火星著陸地點(diǎn)需要航天工程師與行星科學(xué)家相互配合共同完成。
在選擇火星著陸地點(diǎn)前，一般首先要通過火星軌道器拍攝大量的火星表面照片，然后通過綜合分析，初步選出符合工程要求的幾個預(yù)選地點(diǎn)。然后再根據(jù)科學(xué)的要求反復(fù)研究和比較分析，最終選出符合探測任務(wù)要求的著陸地點(diǎn)。
火星探測器著陸地點(diǎn)（來源：網(wǎng)絡(luò)）
在選擇火星著陸地點(diǎn)時，為了確保在工程上可以實(shí)施，需要考慮多種因素。例如，在探測器登陸火星的過程中，99%以上的減速是利用火星大氣對探測器產(chǎn)生的阻力，但是，因?yàn)榛鹦谴髿馓”?，為了使探測器能更好地利用火星大氣的阻力來減速，所以著陸地點(diǎn)的海拔越低越好，這樣可以延長減速時間，使探測器著陸更加安全。
另外，由于火星北半球地形相對平坦，而南半球隕石坑以及山脈和峽谷比較多，所以火星探測器都在火星北半球或靠近火星赤道附近著陸的較多。選擇巖石較為稀少的地方作為著陸地點(diǎn)，不僅著陸時安全，而且火星車在進(jìn)行巡視探測時阻礙也比較少。
著陸巡視組合體的工作過程：著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測（來源：網(wǎng)絡(luò)）
因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)火星探測器都采用太陽能電池供電，它們所攜帶的用于導(dǎo)航和檢測障礙的光敏感器也需要較好的光照條件。為此，探測器一般著陸在緯度小于30°的火星低緯度地區(qū)，因?yàn)檫@一區(qū)域陽光比較充足，晝夜溫差也比較小，有利于探測器的工作。我國火星著陸區(qū)在火星北緯5°～30°的烏托邦平原，符合這些要求。據(jù)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為那里可能是一個古海洋和古陸地交界處，所以有很高的科學(xué)價值，有望取得意想不到的科學(xué)成果。
參考文獻(xiàn)：
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