火星上首次留下中国印迹：中国成为第3个触摸这颗红色星球的国家

本文专家：刘艳，中国科学院空间应用工程与技术中心

对于“祝融号”，大家在关注的同时也有很多好奇。比如：为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆？祝融号着陆整个过程大概多久？火星登陆会遇到哪些严峻考验……

接下来就为大家一一揭秘！

为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆？

拍照、勘察着陆区。

2020年7月，天问一号发射奔火。

今年2月10日，天问一号进行高难度的刹车制动，成功被火星引力捕获，成为我国第一颗环绕火星的人造卫星。

2月24日，天问一号进入火星停泊轨道，开始运行约3个月。

那么，为什么要绕行这么久呢？

万事俱备再着陆。天问一号任务作为中国第一个火星探索任务，既需要通过变轨实现对火星各区域的探测覆盖，也会对火星的着陆区进行综合考察，包括成像、勘察，还需采集火星大气等数据，为接下来的着陆火星做好准备。

不仅考察需要时间，数据的分析处理也需要时间，在准备充分以后，天问一号就会释放着陆器，将祝融号火星车送上火星表面。

祝融号着陆的过程怎样？大概多久？

9分钟，“疯狂”刹车。

祝融号着陆器从轨道着陆的过程（Entry Descent Landing EDL）如图所示，大概可以分为降轨、分离、减速、悬停、着陆5个阶段。

着陆过程，来源：中国航天报

① 降轨

在下降前5小时，天问一号建立降轨姿态，轨道器发动机点火降低，进入近火点50公里的大椭圆轨道。

② 分离

在距离地面100多公里处，实现轨道器和着陆器分离。不妨把此时的时间作为进入大气的起点，自此开启约9分钟的着陆。

两器到达安全距离后，轨道器立即点火，抬升轨道进入中继轨道（环绕轨道）。轨道器升轨同时，也实时拍摄监测着陆器的下降过程。

③减速

两器分离后，有三个减速过程。分别是气动减速、伞降减速、动力减速。

一、气动减速，靠大气摩擦减速。此时展开配平翼，随着防热大底和大气不断摩擦，飞行器速度逐步降低，此阶段为纯气动减速段，消耗将近90%的速度，超音速减速伞打开。

二、伞降减速，超音速减速伞打开，此时高度约11公里，减速伞使用的是盘-缝-带设计伞。此时着陆器将先后抛掉防热大底和背罩轻装着陆。

三、动力减速，在着陆器同背罩分离同时，发动机点火，对地雷达随机开机，着陆缓冲机构（四条着陆腿）展开。

④ 悬停

通过调整发动机推力，使着陆器在高度100米时，速度为0，达到悬停的目的，着陆器下方的对地相机同时拍摄下方图像，自主分析并选择相对平整适宜着陆的点。着陆器调整姿态，前往着陆点，并开始下降。

着陆模拟，来源国家航天局

⑤ 着陆

通过着陆腿的缓冲机构抵消剩余的动能。着陆器缓缓降落在火星表面，此时垂直速度和水平速度都非常小，通过着陆腿的缓冲抵消剩余的动能，类似与人从高处跳下时的下蹲。

着陆过程中遭遇了哪些严峻挑战？

天问一号任务一次性完成“环绕、着陆、巡视”三大步，着陆是其中最复杂、最难的部分。

着陆过程，是着陆巡视器从进入火星大气层到降落到火星表面的过程，整个过程大约9分钟。虽然时间短暂，却是整个飞行任务中的一道顶级难题。

挑战1：信号延时—超过10分钟

轨道器和着陆器的分离决定任务成败。

天问一号距离地球非常遥远，信号单程时延10分钟以上。地面无法进行实时测控干预，探测器会自主执行预先注入的指令，并自行判断指令执行的效果。一旦发现问题，必须在极短时间内进行自我诊断，排除故障。

挑战2：刹车难控—历史成功率50%

人类迄今共实施47次火星探测任务（含2020年7月的3次发射任务），成功或部分成功的仅25次，成功率刚过50%。而对火星着陆任务，目前共实施22次，算上此次，仅成功10次，中国此次火星探测任务在世界航天史上亦是创举。

挑战3：险点难料—智能化要求高

着陆受火星大气的影响，如果突然火星起沙尘暴那样极端的气象那有可能造成严重后果。此外热防护、降落伞，减速也是重要风险点。

降落过程，目前中国尚未在外太空使用过降落伞，这是中国首次以降落伞的方式软着陆到地外行星。这个着陆过程与地球通信的延时很长，因此对自主性、智能性、实时性的要求更高。

减速过程要求非常精确，减速控制如何足以决定任务的成败，如果速度没降下来，那着陆器就砸到火星表面，砸了一个坑不说，祝融号也会坏掉，前面的努力都会白费。

另外姿态控制也很重要，如果没控制好，着陆时“四脚朝天”那就麻烦了。

相比地球和月球，在火星表面着陆更加复杂。火星表面也笼罩着大气层，但大气密度仅为地球的0.6%~0.7%。航天器在进入火星的过程中，一方面无法单纯依靠大气降低到安全速度，同时又必须考虑空气摩擦产生的热量冲击。

从目前火星地貌影像看，火星地形复杂程度超过月球，与地球、月球的地形很不一样。

开展巡视探测工作的过程中，祝融号也将面临地形、能源、路况、沙尘、通信等各种挑战。

着陆点为什么选乌托邦平原？

着陆点选择需要综合科学与工程2方面进行考虑，以尽可能的降低工程风险，并提高科学探测价值。

“天问一号”火星探测任务的首选着陆点位于火星乌托邦平原，是火星上最大的平原，其表面下可能有大量的水冰储备。在科幻系列《星际旅行》中，乌托邦平原就是星际联邦的主要造船基地。

如果有一天，太空机构将人类送上火星，水将是一种至关重要的资源，因为它既可以维持宇航员的生命，也可以分解成氢和氧作为火箭燃料。

飞往火星的宇宙飞船不太可能携带足够的水、氧气和氢气，完成往返火星的整个旅程。

火星车上搭载了6种科学设备，包括可用来拍照导航的地形相机及雷达、测量火星气象的气象仪、火星表面磁场探测仪、火星表面成分探测仪等，为完成火星表面巡视探测和科学研究保驾护航。祝融号预计在火星表面工作90多天。

那么，着陆器着陆后，轨道器干啥去了？

轨道器降轨，变身“火星遥感卫星”。火星表面巡视探测任务结束后，轨道器将降轨到椭圆形的遥感任务轨道，又变身为“遥感卫星”。

它将绕火星飞行约1个火星年（约2个地球年），完成火星全球遥感探测任务，同时兼顾祝融号火星车的中继通信。

预计着陆后的第8个火星日，中国首辆火星车将缓缓驶下着陆平台，在乌托邦平原上轧下第一道印记。

在此祝愿

祝融号冲破重重关卡

在人类火星乌托邦探索的旅程中

留下中国“火星人”的足迹

祝融号！加油！