中國天問一號探測器 成功著陸火星

文/BBC

中國的「天問一號」火星探測器搭載的「祝融號」火星車於北京時間5月15日7時18分（格林尼治標凖時間5月14日23:18） 成功登陸火星，這是中國第一次成功的火星著陸任務，也讓中國成為繼美國後第二個成功派出探測器登陸火星的國家。

美國的勇氣號、機遇號、好奇號以及毅力號火星車分別於2004年1月至2021年2月數次登陸火星表面。

中國國家航天局宣佈，天問一號登陸火星北半球的「烏托邦平原」南部預選著陸區，著陸器搭載有「祝融號」火星車，可以在火星表面上行走。祝融在中國傳統文化中象徵著火神。

天問一號探測器於2020年7月23日發射，距今已有大半年時間，並在今年2月10日進入火星軌道，過去數個月它不斷探測「烏托邦平原」的表面，尋找適合著陸的地點，避免火星表面的石塊和坑洞，最終成功著陸。

中國國家主席習近平發出賀電，指天問一號成功著陸讓中國「在行星探測領域進入世界先進行列」，美國太空總署助理科學主管祖爾布琴（Thomas Zurbuchen）也在社交網站發帖祝賀，期待中國的任務可以讓人類更了解火星。

火星目前距離地球約3億公里，天問一號發出的訊號需要約18分鐘才能傳送到地球，因此科學家無法作出實時監察或操控，天問一號必須自主完成整個著陸過程。

天問一號凖備降落的時候，著陸器和軌道器分開，著陸器由一個保護層包裹，並附有一個隔熱層，當著陸器與火星空氣摩擦的時候就會開始減速，之後會打開降落傘進一步減速，最後以火箭著陸。

著陸器之後用了17分鐘時間張開太陽能板，並向地球的控制中心傳送訊號。

另外，軌道器會繼續在軌道運行，它除了會繼續對火星表面作出探測外，還會為祝融號提供訊號中轉服務，讓它可以與地球保持聯絡。

天問一號成功著陸後，中國科學家計劃最少在未來90個火星日（Sol）透過它探測火星的地質結構。火星上的一天，長度大約是24小時39分鐘。

它的設計與美國太空總署2000年代的勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）相似，重量約240公斤，依靠可以張開的太陽能板供應電力。

祝融號也搭載一個可以伸高的天線，天線上裝設有照相機，同時可以用來協助導航。祝融號本身也裝設五個儀器，用來探測地質土壤，也會偵測火星表面下有沒有冰塊或水。

前蘇聯、俄羅斯、英國等多國過去都嘗試進行火星著陸任務，但除了中國外至今只有美國成功。

前蘇聯在1960至1970年代多次嘗試派出探測器在火星著陸，最終全數失敗。而美國的維京一號在1976年降落火星，是首個成功降落的探測器。

天問一號是中國第二個主要的火星探測任務，上一個任務是2011月與俄羅斯合作的螢火一號，原本計劃會環繞火星運行並收集數據，但搭載著螢火一號的俄羅斯火箭出現異常，令螢火一號無法離開地球軌道，最終掉回地球大氣層燒燬。

中國成功發射首個火星探測器

文/人民日報用戶端等

記者從中國國家航天局獲悉，科研團隊根據「祝融號」火星車發回遙測信號確認，5月15日，天問一號著陸巡視器成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區，中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

淩晨1時許，天問一號探測器在停泊軌道實施降軌，機動至火星進入軌道。4時許，著陸巡視器與環繞器分離，歷經約3小時飛行後，進入火星大氣，經過約9分鐘的減速、懸停避障和緩衝，成功軟著陸於預選著陸區。兩器分離約30分鐘後，環繞器進行升軌，返回停泊軌道，為著陸巡視器提供中繼通信。後續，「祝融號」火星車將依次開展對著陸點全域成像、自檢、駛離著陸平台並開展巡視探測。

中國首次火星探測任務於2016年正式批復立項，計畫通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視，對火星進行全球性、綜合性的環繞探測，在火星表面開展區域巡視探測。天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器包括「祝融號」火星車及進入艙。

探測器自2020年7月23日成功發射以來，在地火轉移階段完成了1次深空機動和4次中途修正，於2月10日，成功實施火星捕獲，進入大橢圓環火軌道，成為中國第一顆人造火星衛星。2021年2月24日，天問一號探測器成功實施第三次近火制動，進入週期2個火星日的火星停泊軌道後，對火星開展全球遙感探測，並對預選著陸區進行詳查，探測分析地形地貌、沙塵天氣等，為著陸火星做準備。

任務實施過程中，中國國家航天局與歐空局、阿根廷、法國、奧地利等國際航太組織和國家航太機構開展了有關專案合作。目前，探測器已在太空運行295天，距離地球約3.2億千米。

火星探測風險高、難度大，探測任務面臨行星際空間環境、火星稀薄大氣、火面地形地貌等挑戰，同時受遠距離、長時延的影響，著陸階段存在環境不確定、著陸程式複雜、地面無法干預等難點。天問一號任務突破了第二宇宙速度發射、行星際飛行及測控通信、地外行星軟著陸等關鍵技術，實現了中國首次地外行星著陸，是中國航太事業發展中又一具有重大意義的里程碑。

著陸：9分鐘，「瘋狂」刹車

① 降軌：在下降前5小時，天問一號建立降軌姿態，軌道器發動機點火降低，進入近火點50公里的大橢圓軌道。

② 分離：在距離地面100多公里處，實現軌道器和著陸器分離。不妨把此時的時間作為進入大氣的起點，自此開啟約9分鐘的著陸。

兩器到達安全距離後，軌道器立即點火，抬升軌道進入中繼軌道（環繞軌道）。軌道器升軌同時，也即時拍攝監測著陸器的下降過程。

③減速：兩器分離後，有三個減速過程。分別是氣動減速、傘降減速、動力減速。

一、氣動減速，靠大氣摩擦減速。此時展開配平翼，隨著防熱大底和大氣不斷摩擦，飛行器速度逐步降低，此階段為純氣動減速段，消耗將近90%的速度，超音速減速傘打開。

二、傘降減速，超音速減速傘打開，此時高度約11公里，減速傘使用的是盤-縫-帶設計傘。此時著陸器將先後拋掉防熱大底和背罩輕裝著陸。

三、動力減速，在著陸器同背罩分離同時，發動機點火，對地雷達隨機開機，著陸緩衝機構（四條著陸腿）展開。

④ 懸停：通過調整發動機推力，使著陸器在高度100米時,速度為0，達到懸停的目的，著陸器下方的對地相機同時拍攝下方圖像，自主分析並選擇相對平整適宜著陸的點。著陸器調整姿態，前往著陸點，並開始下降。

⑤ 著陸：通過著陸腿的緩衝機構抵消剩餘的動能。著陸器緩緩降落在火星表面，此時垂直速度和水準速度都非常小，通過著陸腿的緩衝抵消剩餘的動能，類似與人從高處跳下時的下蹲。

著陸過程中遭遇了哪些嚴峻挑戰？

天問一號任務一次性完成「環繞、著陸、巡視」三大步，著陸是其中最複雜、最難的部分。

著陸過程，是著陸巡視器從進入火星大氣層到降落到火星表面的過程，整個過程大約9分鐘。雖然時間短暫，卻是整個飛行任務中的一道頂級難題。

挑戰1：信號延時—超過10分鐘

軌道器和著陸器的分離決定任務成敗。

天問一號距離地球非常遙遠，信號單程時延10分鐘以上。地面無法進行即時測控干預，探測器會自主執行預先注入的指令，並自行判斷指令執行的效果。一旦發現問題，必須在極短時間內進行自我診斷，排除故障。

挑戰2：刹車難控—歷史成功率50%

人類迄今共實施47次火星探測任務（含2020年7月的3次發射任務），成功或部分成功的僅25次，成功率剛過50%。而對火星著陸任務，目前共實施22次，算上此次，僅成功10次，中國此次火星探測任務在世界航太史上亦是創舉。

挑戰3：險點難料—智能化要求高

著陸受火星大氣的影響，如果突然火星起沙塵暴那樣極端的氣象那有可能造成嚴重後果。此外熱防護、降落傘，減速也是重要風險點。

降落過程，目前中國尚未在外太空使用過降落傘，這是中國首次以降落傘的方式軟著陸到地外行星。這個著陸過程與地球通信的延時很長，因此對自主性、智慧性、即時性的要求更高。

減速過程要求非常精確，減速控制如何足以決定任務的成敗，如果速度沒降下來，那著陸器就砸到火星表面，砸了一個坑不說，祝融號也會壞掉，前面的努力都會白費。

另外姿態控制也很重要，如果沒控制好，著陸時「四腳朝天」那就麻煩了。

相比地球和月球，在火星表面著陸更加複雜。火星表面也籠罩著大氣層，但大氣密度僅為地球的0.6%~0.7%。航天器在進入火星的過程中，一方面無法單純依靠大氣降低到安全速度，同時又必須考慮空氣摩擦產生的熱量衝擊。

從目前火星地貌影像看，火星地形複雜程度超過月球，與地球、月球的地形很不一樣。

開展巡視探測工作的過程中，祝融號也將面臨地形、能源、路況、沙塵、通信等各種挑戰。

著陸點為什麼選烏托邦平原？

著陸點選擇需要綜合科學與工程2方面進行考慮，以盡可能的降低工程風險，並提高科學探測價值。

「天問一號」火星探測任務的首選著陸點位於火星烏托邦平原，是火星上最大的平原，其表面下可能有大量的水冰儲備。在科幻系列《星際旅行》中，烏托邦平原就是星際聯邦的主要造船基地。

如果有一天，太空機構將人類送上火星，水將是一種至關重要的資源，因為它既可以維持宇航員的生命，也可以分解成氫和氧作為火箭燃料。

飛往火星的太空船不太可能攜帶足夠的水、氧氣和氫氣，完成往返火星的整個旅程。

火星車上搭載了6種科學設備，包括可用來拍照導航的地形相機及雷達、測量火星氣象的氣象儀、火星表面磁場探測儀、火星表面成分探測儀等，為完成火星表面巡視探測和科學研究保駕護航。祝融號預計在火星表面工作90多天。

那麼，著陸器著陸後，軌道器幹啥去了？

軌道器降軌，變身「火星遙感衛星」。火星表面巡視探測任務結束後，軌道器將降軌到橢圓形的遙感任務軌道，又變身為「遙感衛星」。

它將繞火星飛行約1個火星年（約2個地球年），完成火星全球遙感探測任務，同時兼顧祝融號火星車的中繼通信。

預計著陸後的第8個火星日，中國首輛火星車將緩緩駛下著陸平台，在烏托邦平原上軋下第一道印記。