记者从国家航天局获悉，科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认，5月15日，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。
天问一号着陆过程模拟图 图自航天科技五院
凌晨1时许，天问一号探测器在停泊轨道实施降轨，机动至火星进入轨道。4时许，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3小时飞行后，进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，成功软着陆于预选着陆区。两器分离约30分钟后，环绕器进行升轨，返回停泊轨道，为着陆巡视器提供中继通信。后续，“祝融号”火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。
我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项，计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视，对火星进行全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测。天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成，着陆巡视器包括“祝融号”火星车及进入舱。探测器自2020年7月23日成功发射以来，在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正，于2月10日，成功实施火星捕获，进入大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星。2021年2月24日，天问一号探测器成功实施第三次近火制动，进入周期2个火星日的火星停泊轨道后，对火星开展全球遥感探测，并对预选着陆区进行详查，探测分析地形地貌、沙尘天气等，为着陆火星做准备。任务实施过程中，中国国家航天局与欧空局、阿根廷、法国、奥地利等国际航天组织和国家航天机构开展了有关项目合作。目前，探测器已在太空运行295天，距离地球约3.2亿千米。
天问一号 图自航天科技五院
火星探测风险高、难度大，探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战，同时受远距离、长时延的影响，着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术，实现了我国首次地外行星着陆，是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。
天问一号 图自航天科技五院
着陆：9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。
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。
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。
（人民民日报客户端、科普中国等）
雷达卡
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发表于 2021-5-15 10:47:15
