“天問一號”登陸火星表面，將會面臨哪些挑戰(zhàn)？
2021年3月16日，“天問一號”拍攝的火星南半球影像
“天問一號”成功進入火星軌道后，已成功實施了四次變軌，目前天問一號仍在火星軌道上獲取火星大氣和降落地點等數(shù)據(jù)。接下來我們將迎接它的下一個任務：登陸火星表面，預計“天問一號”著陸巡視器于5、6月份著陸火星表面。
此前，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，方能圓滿實現(xiàn)探測目標。其一，當探測器完成環(huán)繞任務后需要尋找一個非常好的小窗口，讓它進入到火星大氣；其二，軟著陸在火星表面還不算做完工作，因為我們還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臺科學儀器要發(fā)揮作用，難度也很大，因為我們對火星表面的環(huán)境認知還是相當少的。
本文作者龐之浩亦對“天問一號”現(xiàn)階段取得的突破，以及即將面臨的挑戰(zhàn)逐一分析。
撰文 | 龐之浩（全國空間探測技術首席科學傳播專家）
責編 | 葉水送
2月10日，“天問一號”順利進入火星軌道。據(jù)航天八院介紹，總的來說，“天問一號”的環(huán)繞器主要取得了以下四個突破。
“天問一號”抵達火星附近時，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會制動減速，實現(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到了約11分鐘，所以只能依靠探測器自主執(zhí)行捕獲。
圖片來自航天八院
捕獲過程中，“天問一號”的環(huán)繞器要準確地進行點火制動，即“踩剎車”。“踩剎車”的時機確定依賴于精確的軌道預報和精準的器地校時，“踩剎車”的時長取決于發(fā)動機和控制系統(tǒng)工作的可靠性。
為了精確把控發(fā)動機的開關時機，環(huán)繞器在近火捕獲前需要由地面對其進行精確的無線電測定軌，再結合從環(huán)繞器上光學自主導航儀器中獲得的導航信息，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計，可確保探測器處于“捕獲走廊”直至進入環(huán)火捕獲軌道。
天問一號軌道示意圖（來源：網(wǎng)絡）
環(huán)繞器距離地面最遠達到了4億公里，到達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，研制團隊研制了以超高靈敏度的數(shù)字化應答機和大口徑可兩維驅動天線為核心的X頻段測控數(shù)傳一體化測控系統(tǒng)。
超高靈敏度的應答機可讓環(huán)繞器能夠在嘈雜的噪聲中準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。
大口徑可兩維驅動天線讓環(huán)繞器通過精準的兩維指向控制，將天線實時對準數(shù)億公里外的地球，盡可能多的收集信號能量，并傳遞給應答機。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)繞器將為火星車提供中繼通信服務示意圖（來源：網(wǎng)絡）
由于火星環(huán)繞器距離地球遠，通信延時大，探測器與地面站通信還存在獨特的“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)，實現(xiàn)了器務管理、遙測遙控、熱控管理、配電管理、推進控制、機構驅動、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。通過設計多系統(tǒng)多模式器上信息綜合自主處理的方法，保證了一級故障任務正常執(zhí)行，二級故障整器安全。通過關鍵技術攻關，實現(xiàn)了環(huán)繞器在軌自主運行大于30天的能力。
除了地面無線電導航支持外，環(huán)繞器還配備了光學導航敏感器和紅外導航敏感器，因而具備了自主定位的能力。
在火星捕獲制動階段，由于遠離地面的距離遙遠，所以環(huán)繞器要結合器上自主導航手段，快速提供高精度軌道數(shù)據(jù)。光學導航敏感器采用恒星姿態(tài)識別+硬脈沖校時確保時空對準，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航敏感器，采用可見光譜段和長波紅外譜段復合探測方式，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。兩臺導航敏感器實現(xiàn)了環(huán)繞器不同階段的精確位置自主確定，即使沒有外部導航信息，火星環(huán)繞器也能夠在遙遠深空中自主找到前進的道路。
中國行星探測工程圖形標識。展示了獨特字母“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中，最關鍵的一個環(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，測控信號十分微弱，且延時達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，任何步驟都不能有一點失誤。其難度被形容為相當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”，目前全球火星探測器著陸的成功率不到50%。
所以，安全著陸是火星探測任務最艱巨的挑戰(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，對其設計正確性進行了綜合驗證，也為火星探測任務的如期實施奠定了堅實的基礎。
在地外天體著陸綜合試驗場進行試驗（來源：網(wǎng)絡）
據(jù)火星車專家賈陽介紹，探測器首先瞄準進入火星大氣層的一個窄窄的進入走廊，角度太大會導致與大氣摩擦溫度升高過于劇烈，角度太小又實現(xiàn)不了進入火星大氣層的目標。
經(jīng)過大量研究和實踐，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。
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著陸要求，且著陸精度不高。美國“火星探路者”、勇氣號和機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，且著陸精度較高。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)動機反推＋著陸腿方式著陸，著陸腿在著陸時能起到一定緩沖作用。
第三種是空中吊車式。這種著陸方式最為復雜，成本最高，技術最先進，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“火星科學實驗室”探測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)動機反推＋空中吊車方式著陸。
據(jù)航天科技集團包為民院士介紹，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，要關注火星大氣層中風的速度和方向，風太大會影響著陸點的精度，甚至影響著陸安全。
（3）接著進入到動力減速段，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)動機開始工作，進一步減速，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，進行懸停避障，觀察地面，尋找最安全的著陸地點，最后通過4個著陸腿的緩沖作用在火星表面軟著陸。
整個過程短暫又復雜，地面沒有干預的機會，完全靠探測器自主決定各個動作執(zhí)行的時機。
我國火星車模型（來源：網(wǎng)絡）
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，并不是一件容易的事情，它必須滿足兩個最基本的條件：
一是在工程上可實施。比如，著陸地點要相對開闊平坦，那里的地形不應該過于崎嶇不平，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，著陸地點的地質構造、物質元素比較豐富，其他國家沒有探測過，因為空間探測的成果，只有世界第一，沒有國內第一。所以，選擇火星著陸地點需要航天工程師與行星科學家相互配合共同完成。
在選擇火星著陸地點前，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選地點。然后再根據(jù)科學的要求反復研究和比較分析，最終選出符合探測任務要求的著陸地點。
火星探測器著陸地點（來源：網(wǎng)絡）
在選擇火星著陸地點時，為了確保在工程上可以實施，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，因為火星大氣太稀薄，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，不僅著陸時安全，而且火星車在進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）
因為目前大多數(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)，因為這一區(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)地質學家認為那里可能是一個古海洋和古陸地交界處，所以有很高的科學價值，有望取得意想不到的科學成果。
參考文獻
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