天問之路：總設(shè)計師詳解中國首次火星探測任務(wù)
演講 | 孫澤洲
整理 | 梁政
審讀 | 王佳
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非常高興能來到墨子沙龍，有機(jī)會跟大家一起分享我們國家首次火星探測任務(wù)——“天問一號”任務(wù)。一提到火星，我們總會感到既熟悉又陌生，大家也許會有一些問題：我們?nèi)祟悶槭裁匆ヌ綔y火星？為什么熱衷于火星的探測？
火星——行星探測第一站
首先我們要對火星本身有一個簡單的了解?；鹦鞘蔷嚯x我們“很近”的一個星球，我們在地球上肉眼可以清晰地看到這個紅色的星球。“近”是相對于浩瀚的宇宙而言，相對于地月距離，它又很遠(yuǎn)。每大概26個月就會出現(xiàn)一次火星沖日，這個時候火星和地球運行到太陽的同一側(cè)。在晴朗夜晚的天空，隨著太陽的下山，火星會從地球的東方升起，所以人類很早就對火星進(jìn)行了觀測。
古代中國把火星稱為熒惑，西方把火星比作戰(zhàn)神Mars。由于古代人類對宇宙認(rèn)知程度和科技水平的限制，火星往往與戰(zhàn)爭和災(zāi)禍相聯(lián)系，這其實對火星很不公平。隨著科技的發(fā)展和認(rèn)知水平的提升，我們發(fā)現(xiàn)火星這個近鄰很可能會成為人類的第二個家園。因而，之后的人們對火星就不再有恐懼，更多的是一種向往。大家看到近現(xiàn)代的一些科幻小說、電影都含有火星元素，如《火星救援》等。
火星與地球有很大的相似性，太陽系內(nèi)的行星從內(nèi)往外依次是：水星、金星、地球、火星……火星距離地球最近的時候（即剛才提到的火星沖日）大概是5500萬公里；最遠(yuǎn)時距離4億公里，但如此遙遠(yuǎn)的距離相比宇宙的尺度也是很小。
從它的自然特性來講，其公轉(zhuǎn)周期687天接近地球的兩年，同時因為它的自轉(zhuǎn)軸與軌道周期面夾角大約為25度，與地球的23.5度接近，所以它也有四季的變化。它的自轉(zhuǎn)周期跟地球十分相近，是24小時37分鐘，所以晝夜變化與地球上基本一致。而且火星有一層稀薄的二氧化碳大氣，導(dǎo)致火星上有一定的溫室效應(yīng)，所以它的晝夜溫差雖然比地球大，但相比月球卻小很多。
由于這些特性，火星在我們現(xiàn)在認(rèn)知的天體中更接近地球。因此從事行星科學(xué)研究的科學(xué)家們認(rèn)為，火星的演化與地球有很多的相似之處；但由于它的質(zhì)量比較小，所以內(nèi)部能量消耗得較快，更接近一個行星的晚期。火星的今天很可能就是地球的明天，所以從行星學(xué)研究的角度考慮，對火星有充分的認(rèn)識可以幫助我們更好地了解地球的未來。
此外，因為火星跟地球很相似，大家就會想到火星是不是有可以為人類所利用的資源，例如水。現(xiàn)在的探測結(jié)果說明火星上有水存在的跡象，但水是否大量存在還有待我們繼續(xù)探索，這也是現(xiàn)在對火星探測的一個重點和熱點。
火星還有另外一些重要的整體特征。如因為它比地球小，所以呈現(xiàn)低重力的特點，只有地球重力的3/8左右。因為它比地球離太陽更遠(yuǎn)，因此有弱光照、偏低溫等特點。但其四季和晝夜的變化跟地球很相似。
我們現(xiàn)階段對于火星的探測主要基于兩個目標(biāo)，一是從行星學(xué)的角度認(rèn)識火星，以認(rèn)識地球的未來；二是對火星資源進(jìn)行探測，以期能對這些資源有一些新發(fā)現(xiàn)，未來能為我們所利用。比如未來人類是否能去火星并把火星做星際航行的一個中轉(zhuǎn)站，是否存在能為我們所利用的資源？因此，我們要把航天器送到火星軌道、火星表面進(jìn)行探測。
火星之旅，人類蹣跚起步
2020年可以說是火星探測的一個高潮年，我們國家的“天問一號”成功發(fā)射飛向火星，并在今年成功著陸火星。那么，我們?nèi)祟悓鹦堑奶綔y經(jīng)歷了怎樣的歷程？
火星探測的歷史還是很長的，早在1960年，在人類的第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射后不到三年的時間，人類就開始了奔往火星的征程。第一個吃螃蟹的是蘇聯(lián)的“火星1A號”，但很可惜由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制，它最終并沒有到達(dá)火星。但毋庸置疑，它開啟了人類對火星探測的序幕。
人類首顆火星探測器——蘇聯(lián)“火星1A”（1960年10月10日）
接下來可以把從1960年開始到現(xiàn)在的火星探測任務(wù)，不太嚴(yán)格地分為三個階段：第一個階段是火星探測的初期，這個階段雖然沒有取得很多成果但也非常重要；第二個階段是相對沉寂的時期；第三個階段，又一個高潮期。
我簡單介紹下這三個階段的基本情況。
第一個階段是1960年到1976年，這個階段里實施了23次任務(wù)，到目前為止一半左右的火星探測任務(wù)是在這個階段實現(xiàn)的。首先是1964年美國的“水手四號”發(fā)射，1965年掠飛火星，與火星擦肩而過，近距離拍攝了火星的第一張照片。這在火星探測史上是一個很重要的節(jié)點。
到了1971年，“水手九號”成功實現(xiàn)了火星的環(huán)繞探測，并進(jìn)行了更全面的遙感探測，繪制了85%火星區(qū)域的影像?！八志盘枴痹诨鹦翘綔y史上也是很重要的一個航天器，讓人類對火星有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。之后1976年的“海盜號”則更加出名，是人類在火星表面著陸的第一個航天器。即在1976年，它實現(xiàn)了火星的環(huán)繞和著陸，更真切地看到了火星的形貌。到此為止火星探測的第一個階段就告一段落了。
水手四號（1965年，美國）首次在距離火星表面9800公里的地方掠過，傳回了世界上第一張火星表面照片
水手九號（1971年，美國）傳回了7329張火星照片，繪制了火星85%的地圖，分辨率為1–2千米
海盜號（1976年，美國）以探尋火星表面生命為目標(biāo)，完成了環(huán)繞+著陸火星探測
第一階段為什么要告一段落？因為此階段的火星探測主要有兩個國家參加：美國和蘇聯(lián)。他們圍繞著誰第一個到達(dá)火星、誰第一個著陸進(jìn)行競賽，這種競賽成為了第一階段火星探測的主要動力。但隨著競賽的第一名歸屬確定之后，接下來自然進(jìn)入了一個沒有驅(qū)動力的沉寂期。所以，1977年到1990年間基本沒有火星探測的任務(wù)。僅蘇聯(lián)有兩次對火星的“福波斯”（Phobos）探測任務(wù)，但最終也沒有成功。
福波斯一號（1988年，蘇聯(lián)）
福波斯二號（1988年，蘇聯(lián)）
從1991年到現(xiàn)在，火星又進(jìn)入一個新的發(fā)展時期，參與的國家變多，發(fā)展的驅(qū)動力也變了。不以競賽的第一名作為主要驅(qū)動，更多的是以技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)的發(fā)現(xiàn)作為火星探測的主要目標(biāo)。這就回到了我們一開始討論的“為什么要去探測火星”問題上來，回到了真正由技術(shù)和科學(xué)驅(qū)動牽引的道路上來。
在接下來30年的時間里，有了很多著名的火星航天器，如鳳凰號、洞察號等；在探測形式上也有了很大的拓展，由過去的僅著陸變成了著陸并在地面開展巡視，以美國的航天器為代表。在火星探測上美國一直走在最前面，是每個探測項目的第一個完成者。
如下圖所示，1996年的索杰納號在有限的小范圍內(nèi)實現(xiàn)了區(qū)域巡航；2003年發(fā)射的機(jī)遇號、勇氣號，真正意義上實現(xiàn)了火星表面的巡視，巡視距離超過一個馬拉松比賽的距離。機(jī)遇號的設(shè)計壽命雖然只有三個月左右，但取得的成就相當(dāng)不簡單。此外，還有后來發(fā)射的好奇號。
索杰納號（1996年，美國）
勇氣號、機(jī)遇號，好奇號
接下來就來到了2020年?；鹦翘綔y發(fā)射窗口的周期是26個月左右，2020年是個難得的探測機(jī)會，也是對于火星探測非常重要的一年。這一年有三個國家的航天器同期飛往火星：阿聯(lián)酋的希望號，美國的毅力號，還有我們國家的天問一號。本來計劃還有歐空局的ExoMars2020，但是由于一些原因被調(diào)整到2022年，否則2020年更加熱鬧。
非常值得慶賀的是，這三國的航天器都很好地完成了預(yù)定的目標(biāo)。阿聯(lián)酋的希望號成功實現(xiàn)了火星的環(huán)繞，美國的毅力號實現(xiàn)了著陸和巡視，我們的天問一號一舉同時實現(xiàn)了環(huán)繞、著陸和巡視三個目標(biāo)，把2020年、2021年的火星探測又推向了一個高潮。
我們來回顧一下世界各國火星探測的整體歷程。日本實現(xiàn)了掠飛，歐空局、俄羅斯、印度、阿聯(lián)酋實現(xiàn)了環(huán)繞，到目前為止成功實現(xiàn)著陸和巡視的國家只有中國和美國。在深空探測領(lǐng)域（包括月球和火星），我們國家起步很晚，到本世紀(jì)初才開始從月球的深空探測——嫦娥系列起步，到2014年真正開始天問的技術(shù)工程研制。
因為起步較晚，如果一步一步對美國追趕則顯得太慢；而且隨著現(xiàn)在的技術(shù)積累和發(fā)展，我們有相應(yīng)的條件一舉實現(xiàn)環(huán)繞和著陸、巡視。
從1964年一直到2003年，美國從第一次掠飛到真正意義上的巡視用了39年。我們的這一步邁的還是比較大的，探測形式上達(dá)到了目前人類航天器對火星探測的最高水平。
天問長歌，點燃中國星際探測火種
對火星和火星探測有了基礎(chǔ)的了解后，就來到今天的主題：我國的天問一號火星探測。
天問一號工程任務(wù)包含五個系統(tǒng)：探測系統(tǒng)或衛(wèi)星系統(tǒng)，是飛行的主體；運載系統(tǒng)，要把衛(wèi)星探測器送到預(yù)定軌道，即奔往火星的入口處；發(fā)射場，一個支持發(fā)射的地面設(shè)施，比如海南文昌發(fā)射場、四川西昌發(fā)射場，以及甘肅酒泉發(fā)射場等等；測控系統(tǒng)，航天器在軌飛行時需要與地面建立聯(lián)系并對其軌道、位置進(jìn)行測量，因此需要一個地面測控站通過傳輸無線電信號，完成信息的交互和速度、距離的測量等；應(yīng)用系統(tǒng)，即對采得的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析反演等。我主要負(fù)責(zé)探測器系統(tǒng)。
天問的探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器兩部分組成。下圖是探測器的分解圖，下面是一個環(huán)繞器，上面是一個著陸巡視器，整個探測器重達(dá)五噸，在我們發(fā)射的所有航天器中算是一個大塊頭。它總共攜帶13臺載荷，目前全部在軌運行良好，獲得了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)還需要不斷積累，希望能從中得到一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這就是我們探測任務(wù)的基本情況。
我們的目標(biāo)是什么？從工程角度來講，要完成環(huán)繞、著陸和巡視，此外還要在地面建立起一套能支持我們未來深空探測發(fā)展的工程體系，其中包括地面實驗設(shè)施的建造，計算方法、計算能力的提升，人才的引進(jìn)，等等。所以一個航天任務(wù)工程，除了要把探測器打上天，也要在這個過程中積累、沉淀下來一些經(jīng)驗。
從科學(xué)的角度來講，一共有五個主要任務(wù)。剛才提到13類載荷中，最熱點的一個是對火星表面土壤特征和水冰分布進(jìn)行調(diào)查。我們的火星車和環(huán)繞器都攜帶雷達(dá)，可以對淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，觀測淺層地下是否存在地下水。這是當(dāng)今火星探測在科學(xué)上的重點，如果有了大量水的存在，就會把火星探測和利用又推向一個新的高潮。
接下來給大家簡單介紹一下天問的研制過程。早在2007年，嫦娥一號成功環(huán)繞月球，我們就考慮能不能在嫦娥一號的基礎(chǔ)上，用比較短的時間實現(xiàn)火星的環(huán)繞探測。但出于兩方面的限制，后來這個任務(wù)并沒有啟動實施：一是當(dāng)時地面測控設(shè)備有限，二是飛行器上的通訊、測控設(shè)備尚在使用模擬信號，因而通訊帶寬難以做得很窄，靈敏度也不高，而地面又沒有大天線、高功放，很難實現(xiàn)四億公里的測控通信。
到2010年，嫦娥一號任務(wù)結(jié)束，嫦娥三號、嫦娥四號任務(wù)已經(jīng)開展一段時間，此時大家得出共識，我們不能僅把目光停留在月球上，還要向更遠(yuǎn)的行星邁進(jìn)。所以2010年把火星探測提到日程上來，又開始了新一輪的論證，但這個時候進(jìn)展還是較慢。到了2014年，嫦娥三號成功著陸月球表面，我們的地外天體著陸技術(shù)又往前邁了一步，所以在2014年再次提出要去火星。
這也是論證的轉(zhuǎn)折點：在2014年之前，我們連月球都沒著陸，不可能直接提及火星的著陸；2014年著陸月球之后，便開始了對火星的論證，由環(huán)繞變成了環(huán)繞、著陸加巡視，往前又跨一步。2014年開始，我們進(jìn)入了準(zhǔn)工程階段，不僅做些紙面文章，還要做一些先期的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。所以我們工程真正的起點在2014年，直到2016年正式立項。
航天器的研制一般分為三個階段：一是方案階段，主要做設(shè)計，即論證它應(yīng)該是個什么樣子，應(yīng)該有怎樣的指標(biāo)。接下來初樣階段就是要把圖紙變成現(xiàn)實，并對設(shè)計進(jìn)行驗證，考核其電磁性能和在各種環(huán)境的工作狀態(tài)等，從力、熱、空間環(huán)境等各個方面進(jìn)行綜合考核。最后是正樣階段，通過初樣驗證后正式確定了狀態(tài)，到正樣階段就把它生產(chǎn)出來，進(jìn)行測試、考核，最終送到太空，完成既定任務(wù)。
2014到2016年是方案階段， 2016年到2018年是初樣階段，2018年到2020年是正樣階段，每個階段都是兩年左右的時間。研制過程中還遇到了很多困難，雖然有月球探測的基礎(chǔ)和經(jīng)驗，但火星探測的一些新特點還是給我們帶來不少新的挑戰(zhàn)。
到了2020年4月，我們進(jìn)入海南文昌發(fā)射場，2020年7月23日，長征五號運載火箭把天問一號送到地火轉(zhuǎn)移軌道。接下來就是一個漫長的旅程，從發(fā)射到真正著陸用了293天，其中去往火星的路上用了200天。
2021年2月10號，即農(nóng)歷的臘月廿九，天問一號成功到達(dá)火星并被捕獲，成為我們國家第一個火星的人造衛(wèi)星，在火星軌道又飛行了三個月的時間，共走了4.74億公里的路程。293天的魂牽夢縈，四億公里的一路追尋，最終在5月15日、5月22日著陸和開始巡視。
天問一號的整個飛行軌跡如何？下圖是俯瞰太陽系的視角，中間是太陽，里圈軌道運行的是地球，外圈軌道運行的是火星。由于地球運轉(zhuǎn)的角速度和火星的角速度有差別，公轉(zhuǎn)周期不同，所以在從地球到火星，要走的路線是淺藍(lán)色的路線，而不是一條直線，類似于霍曼轉(zhuǎn)移，這是在轉(zhuǎn)移過程中能量消耗最小的一個軌跡。這就決定了發(fā)射時地球和火星固定的相對相位，而每26個月才會出現(xiàn)這樣一個相對相位關(guān)系，所以每26個月才有一次發(fā)射的機(jī)會。
接下來轉(zhuǎn)移的過程，中間進(jìn)行了多次的軌道調(diào)整，飛行過程很長且非常復(fù)雜，修正和調(diào)整就為了它跟火星能夠準(zhǔn)確地交匯。
雖然衛(wèi)星從發(fā)射到火星環(huán)繞歷經(jīng)四億多公里，但這并不是任務(wù)中風(fēng)險指數(shù)最高的環(huán)節(jié)，時間最短的火星進(jìn)入過程反而是風(fēng)險指數(shù)最高的環(huán)節(jié)。經(jīng)過了將近300天的飛行，探測器開始進(jìn)入著陸環(huán)節(jié)，著陸過程用時大概只有九分鐘，卻是所有過程中最驚心動魄的九分鐘。
火星大氣的影響范圍是125公里。進(jìn)入后首先靠氣動外形進(jìn)行減速，之后是傘系減速，在這個過程中配平翼展開，然后彈傘，氣動外形大底拋開。大底拋開后，相關(guān)儀器可以測量相對火星表面的距離、速度等信息。在這個過程中有一個參考系的轉(zhuǎn)換，之前的慣性導(dǎo)航將火星當(dāng)成一個理想球，而此時可以直接相對表面測量飛行器的距離和速度，并得到絕對高度，而非相對理想球體的速度和高度。
在最后一到兩公里時，把背罩拋掉，傘與飛行器分離。平臺接下來只能依靠自身的發(fā)動機(jī)進(jìn)行工作。動力減速過程中需要對障礙進(jìn)行識別和規(guī)避，最后著陸到火星的表面。這個過程風(fēng)險指數(shù)最高，后面會提到其中的難點和解決的問題。著陸到火星表面之后旋梯展開（如下左圖所示），祝融號駛離，右圖是祝融號桅桿上的導(dǎo)航相機(jī)對自己的一個自拍。祝融號上面有一個太陽能集熱器，這個車上另開有兩個天窗，其作用在后面也會提到。
下圖是著陸后火星車和平臺的合影實拍?；鹦擒囜尫帕艘粋€小的無線照相機(jī)，拍攝之后照相機(jī)把信息傳到火星車上，火星車再把信息傳到環(huán)繞器上，最終傳回地面。
祝融號在火星表面的探測分為三大任務(wù)。第一個任務(wù)是感知，在啟動之前會對周圍進(jìn)行掃描，把周圍的地形地貌通過相機(jī)的拍攝傳到地面，地面可以根據(jù)這些信息建立起周圍的三維影像結(jié)構(gòu)，并規(guī)劃車行走的路線。第二個任務(wù)是移動，車根據(jù)地面的指令進(jìn)行移動。第三個任務(wù)是探測，既在移動中進(jìn)行科學(xué)探測，也在停止的時候進(jìn)行。
其中移動有多種形式，一種是靠地面指定每一步的步長。同時也可以不靠地面指定，只告訴它一個40米之內(nèi)的目標(biāo)點，它就可以邊走邊看邊規(guī)劃，自主移動到目標(biāo)點。發(fā)現(xiàn)路徑不合適，就會主動選擇合適的路徑去到達(dá)目標(biāo)點。類似我們?nèi)粘Ｓ玫降膶?dǎo)航軟件會給你提供多種路線。
祝融號的智能性，可謂是當(dāng)今地外天體巡視器的最高水平，雖然和地球地面的無人駕駛車輛相比還是有差距。這個差距來自兩方面：第一，地球地面的情況和火星上的地形完全不一樣，地球上自動駕駛可以利用公路的標(biāo)志線等信息做輔助；第二，地面的計算機(jī)運算能力更強(qiáng)，可以達(dá)到更高的智能程度。祝融號受限于各種因素，但也達(dá)到了相當(dāng)高的水平。
這次火星探測，一次就實現(xiàn)了環(huán)繞、著陸和巡視三個目標(biāo)，這樣的成功并不是偶然。嚴(yán)肅認(rèn)真的論證歷程，嫦娥探月工程帶來的技術(shù)支撐等，都是成功的基礎(chǔ)，加上團(tuán)隊的不懈努力，以及航天積淀下來的技術(shù)、物資、實驗，還有精神財富，這些因素共同促成了天問任務(wù)的圓滿成功。
天問解決了哪些“靈魂之問”
最后給大家介紹這一次任務(wù)過程中解決了哪些問題，面臨了哪些挑戰(zhàn)？一共有六個方面。
第一個還是測控通信的問題。如前文所提，2007年火星探測沒有成行的一個很重要的原因是四億公里的通訊瓶頸。四億公里雖然在宇宙尺度上是一個很近的距離，但實際卻很遠(yuǎn)。
給大家舉一個例子，月球離地球38萬公里，而火星最遠(yuǎn)的距離相當(dāng)于1000倍的地月距離，因此地面發(fā)射的信號，在火星上接收到的強(qiáng)度是在月球的百萬分之一，因為無線電傳輸?shù)哪芰颗c距離的平方成反比。但隨著近十年航天科技的發(fā)展，這件事情如今已不再困難。
具體是怎么來解決這個問題的？第一是地面設(shè)施的完備。下圖是國家在武清建設(shè)的70m直徑單口徑天線，應(yīng)該說還是非常壯觀的。再有探測器上通信電子設(shè)備已經(jīng)全部數(shù)字化，靈敏度較傳統(tǒng)模擬設(shè)備提高顯著。
另外還有一些我們獨創(chuàng)的方案和智慧?；鹦擒嚺c地球地面通信受很多限制，因而其對地通信只能發(fā)個短信息，告訴地面我很健康、現(xiàn)在能源充足等，僅包含幾個簡單的字。所有探測的數(shù)據(jù)，如對周圍環(huán)境的感知、科學(xué)探測數(shù)據(jù)等，都要通過環(huán)繞器再傳到地球地面，因為環(huán)繞器有更大口徑的天線、更充足的太陽能、更高功率的發(fā)射機(jī)，可以提供更好的通信。
這次火星探測既要環(huán)繞，又要著陸、巡視，不僅要面對這三個任務(wù)單獨帶來的困難，也要面臨這三個任務(wù)耦合在一起的困難，通訊就面臨這個問題。美國已經(jīng)有了在軌航天器作為信號中繼，毅力號飛到火星直接著陸即可。已有的在軌航天器提前做好相位調(diào)整，可以給毅力號提供數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)傳輸可以有很多窗口。
但我們的天問一號不行，只有同期去的一個環(huán)繞器，一天只有一次數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會，怎么辦？我們就在頻段上做了一些新的方案，除了現(xiàn)在回傳采用的UHF天線之外，還把對地X頻段復(fù)用成2G的中繼通信頻段，這樣就可以把一個節(jié)點當(dāng)成兩個節(jié)點，甚至三個節(jié)點來使用。
解決了通信，接下來的一個問題就是如何安全度過魔鬼九分鐘后還能夠生存，并成功著陸在火星表面。探測器從進(jìn)入火星大氣到著陸的過程中，由于信號的20分鐘時延，不可能靠地球地面上的手動干預(yù)來控制它的狀態(tài)，而是要靠探測器自主完成。這個過程很復(fù)雜，要自主控制導(dǎo)航、彈傘、拋大底等一系列過程。此外，還要考慮火星環(huán)境對探測器的影響，不管火星刮風(fēng)、沙塵還是普通晴天，都要保證能夠正常完成任務(wù)。
整個九分鐘的過程大概分為四個階段：氣動減速段，傘系減速段，動力減速段，還有著陸緩沖段。98%的速度靠前兩個階段減速完成，后兩個過程跟月球著陸非常接近，在此不做詳細(xì)敘述。
火星的大氣提供了一個很好的減速條件，只要做好氣動外形和減速傘，接下來的減速過程就不需要消耗燃料，大氣提供天然的減速作用力，而且還是個變減速的過程，速度越快減速效果越好，正好是所需要的性質(zhì)。但是我們對火星大氣并不熟悉，它總在變化，具有很大的不確定性，因此我們需要加強(qiáng)對這個過程的認(rèn)知。
解決這個問題的思路是什么？我們決定要用較為先進(jìn)、復(fù)雜的技術(shù)。盡管這會給我們的研制帶來更多的困難，但能夠?qū)鹦堑牟淮_定性有更好的容忍度。通過自己的努力，把不能把握的風(fēng)險降到最低，這是我們工作的原則和設(shè)計初衷。因此我們采用了彈道-升力式進(jìn)入火星大氣。
進(jìn)入火星大氣的方式有多種，一種是彈道式，這是一種基本不用控制自旋、姿態(tài)的方式，像子彈、炮彈一樣進(jìn)入大氣；還有一種是彈道-升力式進(jìn)入，要通過對滾動傾側(cè)角的調(diào)整，使它產(chǎn)生一定大小可調(diào)的升力，并對航跡進(jìn)行控制。彈道式進(jìn)入沒有調(diào)節(jié)能力，適應(yīng)性差，但它的控制簡單；彈道-升力式進(jìn)入能做調(diào)節(jié)卻控制復(fù)雜。
把控制、推進(jìn)系統(tǒng)做復(fù)雜，就是為了對不確定性能夠有更好的容忍度。但是它還有一個問題，就是在控制升力的階段，本體的軸線跟來流方向要不一樣才行，這就是所謂的需要有一個配平攻角。而到開傘的時候，就希望來流方向跟軸線方向是一樣的，即零攻角。而我們既然選擇彈道-升力式進(jìn)入，就要兼顧這兩個過程的銜接。
該如何解決它？采用的方式如下圖所示，氣動外形外殼伸出來的部分就是配平翼，剛進(jìn)入大氣的時候它是收攏的，在氣動段減速基本結(jié)束之后，把配平翼打開，靠機(jī)動力對它的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，把攻角調(diào)整回來，這樣來流方向跟開傘方向就是一個方向，來減輕尾流對開傘的影響。這個方案只花了大概15公斤質(zhì)量的代價，因為它更多是靠氣動力來產(chǎn)生姿態(tài)的改變。
國外是怎么做的？美國在2011年好奇號時才采用彈道-升力式進(jìn)入，之前采用的都是彈道式進(jìn)入。它的彈道式進(jìn)入也要解決攻角調(diào)整的問題，但采用的是拋配重改變質(zhì)心的方式，在開傘前拋掉100公斤左右的配重，質(zhì)心調(diào)整回來，然后再依靠氣動作用，最終軸線跟來流方向保持一致。這套系統(tǒng)花費100多公斤的代價，我們只花了這種方案的約1/10。這是在火星進(jìn)入過程中，國際上第一次采用對氣動外形進(jìn)行調(diào)整使其能夠進(jìn)行攻角調(diào)整的方案，為火星進(jìn)入的氣動外形研究貢獻(xiàn)了中國的智慧。
除了氣動減速之外，還有一個傘系減速階段。再入地球的飛船、衛(wèi)星等也有傘，但這些傘基本上都是在亞音速下開展，為什么？因為和火星氣動外形不同，它們的氣動外形穩(wěn)定性很好，不需要開傘來維持穩(wěn)定性，所以不需要超音速開傘。而火星大氣稀薄，要提高減速的能力，其外形就要設(shè)計成一個大盾體，考慮到這一外形的穩(wěn)定性因素，就必須要在超音速下開傘。
因此就要用一個新型的傘，跟地球降落傘的形式不同，中間是個盤，并有一個鏤空的縫兒，縫的下面有一條帶，叫盤縫帶傘，盤起阻力的作用，縫和帶的配合起穩(wěn)定作用。在超音速下開傘和傘降的穩(wěn)定性是需要保證的，所以新研了適用于火星大氣的鋸齒形盤縫帶傘，在兩馬赫速度下開傘。因為地球地表的大氣密度與火星不同，為了能夠在地球上驗證傘的性能，就用火箭彈，即探空火箭，把傘和探測器的等重模型，發(fā)射到33公里的高度，這個高度的大氣密度跟火星大氣密度基本相同。正因為這樣一個地面的驗證，使我們對新型的傘有了更準(zhǔn)確認(rèn)識，傘的整個的狀態(tài)也非常好。
再有就是著陸的問題。著陸可以說是對于探月避障技術(shù)的延續(xù)和再應(yīng)用，只是敏感距離有所區(qū)別。為了著陸更安全，在進(jìn)入過程中要對著陸巡視區(qū)進(jìn)行成像。在高度一公里左右進(jìn)行粗避障，即進(jìn)行超過一米的大障礙的識別，目標(biāo)是避開大的石塊、坑等；然后100米高度在著陸區(qū)上方懸停，然后進(jìn)行成像、障礙的識別，在繼續(xù)下降過程中進(jìn)行規(guī)避。
為此也做了很多的安全著陸的實驗，在室外建立了地外綜合模擬實驗場，可以提供重力的模擬，把探測器吊掛在上面，然后探測器自身靠發(fā)動機(jī)、地形敏感、導(dǎo)航來進(jìn)行控制。
著陸之后，在火星表面巡視又遇到哪些困難？不知道大家怎么看，我和我的團(tuán)隊都覺得祝融號的設(shè)計是很漂亮的，四片太陽翼展開之后非常像一只蝴蝶。
這只蝴蝶是怎么誕生的？并不是說一開始就要把它設(shè)計成一個蝴蝶，其實有任務(wù)的內(nèi)在需求。因為火星距太陽比地球更遠(yuǎn)，又由于火星大氣的衰減，所以在火星表面，太陽能只有月球表面或者地球大氣層外光強(qiáng)的20%。靠太陽能作為唯一的能源時，它的弱光照就給我們帶來一些困難，這就要求我們考慮怎么能更充分地利用太陽能，蝴蝶就是在這個背景下誕生的。
對于這個問題，做了將近三個月的論證，最終才破繭成蝶，成為現(xiàn)在蝴蝶的樣子。直接的想法就是設(shè)計更大的太陽翼面積，這樣在一定的光轉(zhuǎn)化效率下，就可以固定更多的太陽能。所以一開始的設(shè)計很簡單、面積很大，但受限于車體，設(shè)計就要往高度方向發(fā)展，把太陽翼的兩片架起來。但這樣就有很多的問題，如沒有很好的固定支撐點、發(fā)射階段響應(yīng)很大，而且這個方向的高度給背罩空間的設(shè)計帶來一些約束和困難。這種方案不行就做成多折，一邊兩片，沿著兩個方向展開，但這個方案也有問題，一是太丑了，更關(guān)鍵的是沿車身方向太長，車從平臺下降或做爬坡、越障時，后體的太陽翼很容易跟地面發(fā)生擦碰，所以這個方案也有問題。
再有一種設(shè)計就是像扇子一樣展開，這樣可以把空間率提高。但是這里有個問題，展開以后每一片都不規(guī)則，而每個太陽能電池片都有一定的尺寸，這樣的布片效率很低，雖然面積很大，但真正有效的、能放上去的電池片又很少，所以這個也被否定。這是有代表的三個，當(dāng)然其他的還有很多，例如平展的扇子設(shè)計等，后來都覺得并不理想。
兩片式太陽翼方案
四片長方形太陽翼
扇形折疊太陽翼
有個年輕的設(shè)計師提出了現(xiàn)在這樣的設(shè)計方案，即一體的壓緊。這四片太陽翼的尺寸完全一樣，收攏時就是左圖的狀態(tài)，展開后如中圖，而且這個面積相比剛才幾種形式大很多，后體方向的長度也在可控范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)跟平臺或者是爬坡過程中跟地面擦碰的問題。大家一致認(rèn)為這個方案很實用也很好看，最終確定了這個方案。
四展太陽翼方案
總之，現(xiàn)在大家看到的飛行成果、天問外形、技術(shù)方案，在整個方案和初樣階段，都經(jīng)歷了反反復(fù)復(fù)的研討、驗證，希望能夠得到一個滿足任務(wù)要求的整體最優(yōu)解。
還有火星低溫的特點，剛才提到太陽翼面很大，像一只蝴蝶一樣可以獲得更多的太陽能，在獲得這些能量之后足夠供設(shè)備供電、工作等等，但火星還有夜晚，火星的自轉(zhuǎn)周期跟地球基本一致，24小時多37分鐘，到夜晚的時候氣溫到達(dá)零下，不同緯度、不同季節(jié)的夜晚氣溫不同，最冷能達(dá)到零下100度。所以夜晚的能量獲得、熱量保溫成為了問題。
我們采用了兩種方式，一是保溫，采用新型低重量納米氣凝膠隔熱材料。熱交換有三種方式，一是對流，在地球上的散熱主要靠空氣的對流；另外兩個是熱傳導(dǎo)、熱輻射。一般的衛(wèi)星處于真空中，因而沒有對流，主要是傳導(dǎo)、輻射。所以大家看到普通的衛(wèi)星都是穿著金燦燦的多層隔熱材料，這種材料只有在真空下才可以起到很好的隔熱效果。
但是在火星上，因為有地球1%、不到1000帕的大氣，多層隔熱材料無法阻止火星大氣對流，因而起不到隔熱的效果。我們就采用了新型的隔熱材料，叫納米隔熱氣凝膠。這種材料很輕，輕到可以放到一朵花上（如下圖）。它是一種多孔材料，因為孔徑很小，空氣在里面不會產(chǎn)生對流，因此阻斷了對流的熱交換。
納米氣溶膠隔熱材料
這是保溫上的嘗試，但無論怎么保溫它還會漏熱，還需要補(bǔ)充熱能。怎么辦？一開始我提到車上帶了兩個天窗，就是太陽能集熱器。它白天把熱能收集起來，晚上把熱能放出去，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%，如果轉(zhuǎn)換成電，電再轉(zhuǎn)換成熱，靠光伏發(fā)電這種方式，效率只能達(dá)到30%到35%。
這就高效的利用了太陽能，滿足火星車上的能源需求。這也是國際上在地外探測器上第一次采用這種高效利用太陽能的集熱器技術(shù)。通過有效、輕質(zhì)的隔熱材料保溫和天窗的集熱，現(xiàn)在祝融號在火星表面工作狀態(tài)很好，夜晚的溫度也很舒適。
太陽能集熱器
另外，火星表面有沙塵的問題，火星上全球性的沙塵時有發(fā)生，一旦出現(xiàn)沙塵，那就是暗無天日。在火星沙塵天氣的情況下，太陽變得不可見。針對這樣一個可能存在的極端條件，如何解決太陽能利用的問題？有兩方面的處理，一是太陽能電池表面做了一些特殊處理，把沙塵的附著力降得很小，不太容易出現(xiàn)沙塵的積累；另外，通過太陽翼的運動抖落浮在表面的沙塵。
第二，如果真正的沙塵到來，好幾天都見不到太陽。怎么辦？儲存的電能、熱能不足以支持正常的工作時，可以進(jìn)行自主休眠，就像動物冬眠一樣，等到太陽升起來、天氣變好了，再自主地喚醒。這是面對極端的天氣，祝融號預(yù)留的一些應(yīng)對手段，我們不期望它能夠真正派上用場，但真正出現(xiàn)極端天氣以后，還是有辦法度過危機(jī)。
最后一個是在火星表面巡視。探測器的車輪要跟火星表面的石塊兒、土壤接觸，接觸的地面不像地球上平整的路面，探測器著陸的區(qū)域基本類似于地球的戈壁，而且火星表面石塊非常堅硬。之前的火星車在火星表面遇見過許多困難，首先是車體出現(xiàn)一些沉陷，從車轍的痕跡看出有很明顯的滑移，顯示出沉陷度很大。另外還有堅硬的石塊在行進(jìn)過程中導(dǎo)致車輪破損，這都是前車之鑒。
火星車的沉陷
火星車車輪破損
針對祝融號在火星表面進(jìn)行巡視、探測中可能出現(xiàn)的故障，我們的絕招是什么？大家可以看下面幾個小動畫，第一個是車體抬升，發(fā)射時處于收攏狀態(tài)可以抬升，在火星表面過一些障礙的時候也可以使車體抬升，通過車體抬升和下降可以實現(xiàn)蠕動。這其實相當(dāng)于一臺裝有主動懸架的車，即懸架不是隨地形被動改變，而是主動改變。這也是國際上第一個在地外天體巡視器上采用主動懸架移動的系統(tǒng)。它的好處是有更強(qiáng)的通過性和脫困能力，對車輪遇到的一些障礙，通過車體抬升、下沉、再抬升、再下沉，產(chǎn)生蠕動過程脫困。
火星車的六個輪都可以獨立轉(zhuǎn)向、獨立行進(jìn)控制，所以它可以蟹行，就是車可以橫著走。當(dāng)進(jìn)入一個障礙很多的區(qū)域時，就不需要轉(zhuǎn)身，因為原地轉(zhuǎn)彎有轉(zhuǎn)彎半徑，它可以向任意方向行走。對于松軟土壤它可以斜著爬坡，類似于人爬坡走“之”字，疊加上車轍的影響，它爬坡能力會得到很大的提升。這樣一個新型的移動系統(tǒng)更適合火星復(fù)雜的地形，此外這個車可以進(jìn)行抬輪兒，增加了可用的探測場景。
針對車輪容易破損的問題，我們采用了新型的鋁基碳化硅材料，即使車的所有重量集中在車輪的某個點，它的承壓強(qiáng)度都可以滿足要求，不會出現(xiàn)破損。所以我們相信祝融號能在路面很復(fù)雜、有很尖銳的火星石塊的情況下，也有很好的移動性能。
最后展望一下未來，因為天問只是行星探測的第一步，未來還有小天體的探測、火星的采樣返回，以及木星系探測等。火星的采樣返回目前人類的航天器還沒有成功過，但我相信未來的五到十年，會有人類的航天器實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，我也相信我們國家的航天器是其中的一員。
我們的征程是星辰大海，希望未來的征程中能得到大家的支持和幫助，更期望未來的征程中有大家的參與。
注：內(nèi)容整理自墨子沙龍“中國登陸火星！——天問之路”活動。
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作者簡介
孫澤洲
航天科技集團(tuán)第五研究院研究員。作為我國深空探測航天器設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)術(shù)帶頭人，長期致力于深空探測領(lǐng)域研究和工程實踐，歷任嫦娥一號衛(wèi)星副總設(shè)計師，嫦娥三號探測器總設(shè)計師，現(xiàn)任嫦娥四號探測器總設(shè)計師、火星探測器總設(shè)計師。
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制版編輯 | Morgan
