天问一号着陆巡视器着陆火星乌托邦平原效果图。中国航天科技集团供图
天问一号成功落火！重温中国首次火星之旅超燃瞬间 邱晨辉/整理 李晗/制图
火星，地球隔壁的行星。千百年来，人类一直对这位“近在眼前”的红脸蛋邻居充满好奇。这一次，中国使者登门拜访。
2021年5月15日，仿若一个孤身探险的侠客，来自中国的天问一号火星探测器，在单枪匹马跋涉295天、穿越漫漫星河之后，终于在火星成功着陆。
从地球到火星，9个多月，4亿多公里，旅途之漫长，堪称我国第一次真正意义上的深空之旅。地球与火星的距离即便最近时也有5000多万公里，是地球和月球之间平均距离的140多倍，有航天专家以“跨越太平洋的高尔夫”来形容这次任务，难度之大可见一斑。
2021年2月，天问一号探测器抵达火星轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。如今，又经过3个月的养精蓄锐，天问一号完成着陆巡视器与环绕器分离，成功“亲吻”火星表面。
着陆地点是火星乌托邦平原。这是火星上最大的平原，也是一个颇具浪漫色彩和想象空间的地点。科幻小说《星际旅行》就将此处设定为星际联邦的主要造船基地。现在，这里第一次留下来自中国的印迹。
最惊心动魄的9分钟
火星的北半球多平原，南半球多山地，此次火星软着陆的地点就选择在火星北半球乌托邦平原的南部。虽然是“平原”，但这并不意味在此处着陆就可以高枕无忧。
中国航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯告诉中青报·中青网记者，天问一号整个降落过程大致分为“进入-减速-软着陆”三步，天问一号需要在9分钟内，将每小时约两万千米的速度降到零。
“这是最为惊心动魄的9分钟！整个着陆过程步步惊心，技术十分复杂。”王闯说，截至目前，人类火星探测任务成功率仅有五成左右，大部分失败都是折戟在这一阶段。
中国航天科技集团五院天问一号探测器总设计师孙泽洲说，火星探测最大的难点就是着陆，这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须确保精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。
具体来看，天问一号首先瞄准进入火星大气层的一个狭窄的进入走廊，借助火星大气进行气动减速，这个过程要克服高温和姿态偏差；气动减速完成后，天问一号的下降速度也减掉了90%左右。
紧接着，天问一号打开火星专用降落伞，进行伞系减速。待降落伞完成使命后，天问一号探测器抛掉大底和背罩，露出着陆平台和火星车，当速度降至每秒100米时，再通过反推发动机进行减速，由大气减速阶段进入动力减速阶段。
在距离火星地表100米时，天问一号进入悬停阶段，完成精准避障和缓速下降后，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，抵达位于火星东经109.9°北纬25.1°的着陆点。
这么看来，要想平安稳定地降落到火星表面，首当其冲的问题就是让高速奔驰的天问一号减速。
“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节，天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开，而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。”王闯说。
他解释道，由于火星大气非常稀薄，进入火星时要求探测器的气动外形具备高效的减速性能，同时需要更轻量化的防热材料。
“虽然此前我国已有月表着陆经验，但是此次天问一号火星软着陆任务更加艰难。”王闯说。一方面火星表面存在大气，因此火星比月球表面有更复杂的环境；另一方面火星离地球距离更加遥远，通信时延达到20分钟左右，因此整个着陆过程相距遥远的地表来不及做任何处置，只能靠天问一号自主完成，经历“生死9分钟”。
孙泽洲表示，为此，早在着陆前，天问一号在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测，获取了大量的着陆区地形地貌的数据，并对火星尘暴发生的概率进行了评估。
值得一提的是，天问一号探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术，以确保安全着陆。孙泽洲说，“在这些措施的基础上，我们还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道升力式进入方案，以降低火星大气参数不确定性带来的风险。”
“最后一脚”稳准刹车
当天问一号来到距离火星表面约两公里处，以每秒约100米的速度不断接近火星表面——这个速度相当于目前我国高铁的最高运行速度。火星已近在咫尺，还需要一脚“刹车”来实施着陆。
减速、悬停、避障、降落，由中国航天科技集团第六研究院（以下简称“六院”）研制的7500牛变推力发动机这时登场，它像一位曼妙的舞者，翩翩而至，也让天问一号着陆巡视器轻盈落在火星表面，顺利完成了自己的使命。
据六院专家介绍，天问一号着陆巡视器7500牛变推力发动机，正是此前我国落月所用变推力发动机的2.0版本。之所以从1.0升级到2.0，是因为火星表面软着陆的难度升级了。
首先，火星实在太远了。六院专家说，月球与地球的平均距离为38万公里，而火星与地球的距离在5000万至4亿公里左右，远远超过地月距离。在地球上，最多0.13秒能实现任意两点通讯，地月之间需要2.5秒，但当天问一号需要在火星着陆时，火星与地球的距离为3亿公里，完成一次通讯需要半个多小时。
换言之，来自火星的信号还没传到地球，天问一号探测器可能就已经“收工”了。对于身在遥远异乡的小家伙，这一段路得自己操心，每一次推力的变化必须非常迅速、精准，发动机需要很“听话”。
会不会频繁猛踩刹车，是人们评判一个司机驾驶技术好坏的重要指标之一。同样，为了减少降落过程中对着陆巡视器的冲击，将“乘客”平稳送达，发动机采用了“长距离轻刹车”的技术。
六院专家介绍，在天问一号降落过程中，雷达等探测设备会像眼睛一样盯着火星地面，测量巡视器距离地面高度等参数，这些参数进入制导、导航与控制系统，由这个睿智的“大脑”计算出对发动机的推力要求。发动机会按照预设的时序和实时的指令，完成变推力调节，让着陆巡视器慢下来，最后以很低的速度稳稳着陆在火星表面。
火星表面着陆的另一个难点在于，月球表面近似真空，而火星表面有一层稀薄的大气。在降落过程中，着陆器与火星表面的大气会剧烈摩擦，为了防止被“烧糊”，着陆器上增加了一个防热大底，原本可以“伸出去”的发动机，就这样被“兜起来”了。
不过，有限的舱体空间限制着发动机的尺寸，天问一号探测器变推力发动机的高度，比嫦娥三号探测器变推力发动机要缩小超60%。六院专家表示，推力等主要性能指标却保持不变，“小个子”要爆发出“大能量”，这意味着发动机必须更结实。
去一趟火星不容易，天问一号能携带“乘客”的总重量是有限的。科研人员从发动机的原理入手，按照任务的需求和特点，对系统参数和总装布局进行了优化，既保证了功能，又增加了一些新技术，应用了一些新材料，发动机没有“长肉”“增肌”，重量还减少了2/3，为其他“乘客”让了让“座”。
“火星蝴蝶”开启荒野求生
成功着陆后，“绕、着、巡”的串联任务终于进行到最后一步——“巡”。全球瞩目的中国第一辆火星车“祝融号”也将正式登场。
国家航天局探月与航天工程中心深空部部长耿言5月15日透露， “祝融号”火星车将首先进行自检和环境感知，大约再过一周时间，将驶离着陆平台，开启火星探测，将跨越数亿公里回传图像。
此前，中国首次火星探测任务总设计师张荣桥曾对外公布“祝融号”火星车的配置细节：火星车质量约240公斤，为6轮独立驱动，携带6台载荷，其太阳翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地将“祝融号”火星车比喻为“火星蝴蝶”。
张荣桥说，着陆器将着陆信息通过环绕器转发地面，先后完成坡道及太阳翼天线展开，火星车在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切就绪后，祝融号火星车将自主驶离着陆器，抵达火星表面，开启新的征程。
火星的环境是出了名的恶劣，要想完成使命，火星车首先得存活下来。这就需要“祝融号”足够强大。中国曾数次造访月球，积累了宝贵的经验。但月球与火星最大的不同，便在于月表近乎真空，而火星有大气层，这会大大增加探索火星的难度。
如果只是看图片，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。事实上，火星上的风速可达每秒180米，这几乎是地球上特大台风风速的三倍还多。狂风会掀起大量的沙尘、石块，形成特大沙暴，让“祝融号”的眼睛蒙尘、翅膀不再灵活。
面对这样的情况，中国的航天设计师们使用了一种新材料，这种材料不易沾上灰尘，即使沾上，也可以通过振动将其抖落。火星表面还密布着石块等障碍物，这就使得火星车的行驶需要更加“小心翼翼”，以免被障碍物卡住造成操作的迟滞。
那么，如何让火星车的每一步都走得更加稳妥呢？在中国航天科技集团五院的研究室中，有一台一模一样的火星车。当在火星上遇到复杂的路况时，地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶，确认无误后才会发出指令。
按照计划，接下来“祝融号”将迈出火星第一步，留下中国探测器在火星上的第一个脚印。
在中国航天科技集团五院总体设计部天问一号探测器副总设计师贾阳的案头，摆放着一枚精美无比的蓝色蝴蝶标本。据贾阳透露，火星车的设计灵感，正是来自这枚蝴蝶——无线电成了它的复眼，天线成了它的触须，而火星车的车标，设计灵感也是来自800年前的印章文物。科学与人文这一刻完美结合。
“祝融号”这只“火星蝴蝶”，后续将给人们带来什么意想不到的发现和惊喜？让我们拭目以待。
