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天问一号成功着陆火星！还有这些“神器”护身

2021.5.15

　　北京时间5月15日，天问一号着陆巡视器稳稳地降落在预选着陆区——火星北半球的乌托邦平原，中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

　　天问一号探测器于2020年7月23日发射，在今年2月到达火星，成功被火星捕获。经过3个月的养精蓄锐，天问一号已在近日实施降轨，完成着陆巡视器与环绕器分离。在成功软着陆于火星表面后，不久中国首辆火星车“祝融号”也将驶离着陆平台，开展巡视探测等工作。

　　此次天问一号登陆火星有什么难点？“祝融号”火星车会以何种方式探索火星？背后又有什么故事呢？

图片来源于：中国航天科技集团五院

　　着陆火星经历“黑色九分钟”

　　被火星成功捕获以后，天问一号经过几个月的充分准备，终于开启了第二阶段任务——“着陆”。火星的北半球多平原，南半球多山地，因此此次天问一号着陆巡视器软着陆火星的地点，就选择在火星北半球的乌托邦平原南部。

　　整个降落过程大致分为进入——减速——软着陆三步，简称为EDL（Entry， Descent，Landing）。据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介绍，天问一号在进入火星大气层以后首先借助火星大气，进行气动减速，这个过程它克服了高温和姿态偏差。气动减速完成后，天问一号的下降速度也减掉90%左右。

　　“紧接着天问一号打开降落伞进行伞系减速，当速度降至100m/s时，天问一号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。”王闯介绍，在距离火星表面100米时，天问一号进入悬停阶段，完成避障和缓速下降后，着陆巡视器在缓冲机构的保护下，抵达火星表面。总的来说，整个过程天问一号要在9分钟内从约2万千米/小时的速度降至到0米/小时。

　　值得一提的是，虽然此前中国已有月表着陆经验，但此次天问一号火星软着陆任务更加艰难。一方面火星表面存在大气（火星表面大气的密度是地球表面大气密度的1%左右），火星环境比月球更复杂；另一方面火星离地球距离更加遥远，通信时延单程达到20分钟左右，因此在整个着陆过程，相距遥远的地球科学家们来不及做任何处置，只能靠天问一号自主完成这“黑色九分钟”。

图片来源于：中国航天科技集团五院

　　13个载荷助天问一号探索火星

　　成功着陆后，天问一号“绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步。着陆后，天问一号进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面。进入舱和“祝融号”火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开，“祝融号”火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后，火星车将自主驶离进入舱，抵达火面，开始新的征程。

　　探测火星不仅是工程任务的突破，更是行星科学领域的突破。除了常规的通信、能源（太阳能帆板）、支撑结构、动力系统等部分外，天问一号整体上携带了13个科学载荷，其中7个在火星上空的环绕器上，6个分布在火星车上。

　　据介绍，天问一号环绕器搭载的7个科学载荷分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。而6个分布在火星车上的科学载荷，则分别为多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。

　　据专家介绍，这些科学载荷有着五大使命，主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究，将给中国带来火星的第一手资料。其中，与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据，并研究火星的磁场和重力场，这些也将解答大众的好奇，如火星究竟是什么样的气候。

图片来源于：中国航天科技集团五院

　　“祝融号”如何“荒野求生”？

　　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”。

　　火星环境是出了名的恶劣，要想完成使命，“祝融号”火星车必须足够强大，努力“活下来”。中国曾数次造访月球，积累了宝贵经验。但月球与火星最大的不同，在于月表近乎真空，而火星有大气层，这大大增加了探索火星的难度。

　　从以往火星探测器拍摄的图片来看，火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。但事实上，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多。这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘、石块，形成特大沙暴。让“祝融号”火星车的“眼睛”蒙尘，“翅膀”不再灵活。面对这种情况，设计师使用了一种新型材料，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。那如何才能火星车的每一步都走得更加稳妥呢？设计师们也想出了应对之策。在中国航天科技集团五院的实验室中，有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”在火星上遇到复杂路况时，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，在紧张工作90个火星日后，“祝融号”火星车将结束巡视探测工作，天问一号环绕器也将进行轨道调整，从而开展环绕科学探测。

　　“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”曾有学者用上述语言形容“蝴蝶效应”。如今，“祝融号”这只全球瞩目的“火星蝴蝶”已成功着陆火星，后续又会带给我们什么意外惊喜，让我们一起拭目以待吧。

　　天问一号“探火”之旅有这些“神器”护身

　　在“探火”旅途上，中国航天科工集团研制生产的相控阵敏感器、纳米气凝胶材料、加速度计等“神器”，为天问一号开展火星环绕、着陆和巡视探测作出重要贡献。

中国航天科工二院相控阵敏感器研制团队。　航天科工供图

　　中国相控阵敏感器首次亮相太空

　　天问一号火星探测器一次实现火星环绕、着陆和巡视探测，其中探测器着陆是本次火星探测任务的关键环节。航天科工二院25所自主研发的相控阵敏感器首次实现地外天体着陆测量，在天问一号着陆火星过程中发挥关键作用。

　　相控阵敏感器能够精准测量探测器相对于火星表面的距离、速度等信息，用于着陆器发动机减速、悬停和软着陆控制，保障探测器平稳着陆火星表面。

　　目前国际普遍使用的着陆雷达，需要多个雷达天线实现不同方向的测量，而该型相控阵敏感器使用一套天线即可实现120°视场内任意方向的精确测量，极大降低了产品重量和体积。此前，研制团队开展了一系列地面试验模拟火星地貌和气候，充分验证相控阵敏感器在火星不同光照、温度、扬尘等条件下的工作精度和可靠性。

中国航天科工三院33所技术人员正在洁净间装配加速度计。航天科工供图

　　“定制化设计”保障平稳着陆

　　应用降落伞减速是确保探测器平稳着陆的关键环节之一，任务前期需要开展试验进行反复验证。航天科工三院三部研制的“定制化”火箭制导舱，成功将4发试验火箭准确控制到试验预定高度、速度和姿态角窗口，有效验证了探测器着陆降落伞的各项指标。据悉，三部自主研制的试验火箭一体化制导舱，能够在初始发射阶段和30km以上高度飞行时实现火箭姿态的精准稳定控制。

　　天问一号离轨着陆阶段，三院33所研制的加速度计能够提供准确的加速度测量信息，帮助着陆巡视器实时获取速度、位置等信息，保障着陆巡视器GNC(制导导航与控制分系统)的自主惯性导航精度，为顺利着陆提供重要前提。

　　天问一号着陆过程中，环绕器和着陆巡视器需要完成分离，着陆火星后，着陆平台需要释放火星车，每个环节都需要“定制化”的解锁分离装置来实现。航天科工三院111厂为此次任务研制了两器连接解锁装置、背罩连接解锁装置、大底连接分离装置、火星车连接解锁装置等6项装备，这些关键部件实现了着陆巡视器与环绕器的连接解锁及分离功能，并在着陆后完成火星车与着陆平台的解锁分离。

　　为天问一号运行保驾护航

　　因探测环境差异巨大，天问一号需要接受“冰火两重天”的温度考验，航天科工三院306所为天问一号研制了两类高性能纳米气凝胶材料，以其高效防寒隔热功能为火星探测任务保驾护航。耐高温纳米气凝胶隔热组件用于阻隔着陆发动机产生的高达1200℃的高温热流，保护着陆平台的正常功能。

　　航天科工二院203所为天问一号的通讯系统、制导系统、控制系统研制生产了系列晶体元器件产品。晶体元器件体积虽小，却可以为电子设备提供稳定的频率信号，因此常被称为电子设备的“心脏”。203所研制生产的晶体元器件产品具有可靠性高、性能指标优、环境适应性好等特点，很好地满足了探测器在太空中长时间飞行的需要。

　　航天科工所属航天江南航天电器公司为本次火星探测任务研制生产的连接器、继电器产品超过6000只(套)，在相关系统中承担信号传输、信号控制与信号通断等作用，成为电信号传输系统的“神经枢纽”。探测器遨游太空、着陆火星，其一身“钢筋铁骨”离不开航天科工所属航天精工研发生产的数以万计高强度、高性能紧固件产品，在提高探测器耐高低温、抗疲劳等综合性能方面发挥了重要作用。

　　据悉，后续火星车将与着陆平台解锁分离，开启火星巡视探测任务。航天科工所属航天江南航天电器公司“定制化”设计研发了矩形分离连接器和射频脱落连接器，实现了火星车与着陆器之间控制信号的物理连接与分离，是保证背罩、大底和着陆器三大结构部件可靠分离的关键部件。

　　走出“摇篮” 神器助力

　　要想走出“摇篮”，走入未知的深空，“天问一号”必须学习自己面对。中国航天科技集团八院控制所火星环绕器导航、制导与控制分系统(GNC)研制团队，给天问一号装备了明亮的眼睛、灵巧的双臂和聪明的大脑，使“天问一号”具有自己观察、自我决断和自主执行的能力。

效果图。中国航天科技集团八院供图

　　多双眼睛，感知方向与锁定位置的保证

　　要想去往火星，“天问一号”得先知道自己朝向哪里(探测器飞行姿态)和自己处在哪里(探测器轨道位置)，否则非得闹出南辕北辙的笑话不可。“天问一号”上装配有多台星敏感器，如同一双明亮眼睛，星敏感器始终紧盯着深空中的恒星，通过比对自身看到的恒星与导航星表中恒星的相对姿态，就知道自己朝向何方了。然而，系外恒星相对于探测器的距离都是无穷远，也就是说，无论“天问一号”飞离地球多远，这几亿公里的距离相对于那些恒星来说，完全可以忽略，因此利用恒星来精确计算探测器飞行姿态的时候，无法得知探测器自己的位置。

　　为了提高探测器的自主导航能力，还需要借助另一双慧眼——光学导航敏感器和红外导航敏感器，这两款导航敏感器将火星作为导航的“灯塔”，通过这双眼睛对火星“拍照”，从图像中计算火星几何中心的位置和火星视半径的大小，结合火星的星历和导航滤波算法，就能计算出“天问一号”相对于火星的位置和速度，“天问一号”从而就知道自己在哪里了。

　　三头六臂，精准计算和可靠决策的秘诀

　　环绕器的大脑——GNC单元，采用三套独立CPU同步计算、三机相互诊断的方式运行。

　　“天问一号”飞行姿态测量和控制、轨道修正、制动捕获等功能必须兼顾精度、可靠性和自主性的三重要求。为此，环绕器的这台三机模式同步运行的“大脑”，设计了精确的时间对准机制，保证三台独立的CPU可以实现复杂运算过程的同步计算和结果输出、彼此数据的同步交互和故障诊断、以及控制模式的同步转换。

　　目前，“天问一号”已经正常稳定飞行了10个月，精确地完成了四次中途修正、火星制动捕获和环火轨道调整等关键动作，时刻保障着探测器的太阳能源、对地通讯和飞行姿态的稳定。

　　三省吾身，自主运行和完成任务的法宝

　　我的状态还好吗？了解自己是第一步。飞行过程中环绕器GNC分系统时时刻刻都在检查自己的眼睛、臂膀和大脑。每双眼睛看到的是否准确、每只手臂运动得是否正常、自身大脑运转是否清醒等，环绕器GNC采用三重自主故障诊断和重构策略来确保其稳妥运行。

　　针对火星探测这样的高难度任务，单机的可靠性是前提。每个元器件都经过了层层筛选，每一台单机均完成了力学振动、高低温和空间环境等可靠性试验。结合三重诊断与重构保障，即使有超出预期的一些故障发生，也不会影响整个任务的正常执行。

　　“天问一号”火星探测飞行通讯时延的特殊性，使其自身必须具备精确判断出是否完成既定任务的能力。据称，“天问一号”在轨飞行控制过程中，通过多重修正措施，确保“大脑”能够准确判断出任务是否执行结束。

探测器火星天问一号

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