驚心動魄9分鐘
文章來源：中(zhong)國航天科(ke)技集團有限公司 發(fa)布時(shi)間：2022-05-26
5月15日7時(shi)18分，由(you)航(hang)天科(ke)技集團研制的中國天問一號探(tan)測器穩穩降(jiang)落(luo)在位于(yu)火星北半球的烏托(tuo)邦平(ping)原上。
至此，我(wo)國首次火(huo)(huo)星探測(ce)任務順利(li)度(du)過(guo)了最(zui)為(wei)兇險的階段——從(cong)進(jin)入火(huo)(huo)星大氣層到著陸火(huo)(huo)星表面(mian)的“驚心動魄9分鐘”。
環火3個月
5月15日凌晨4時許，火(huo)星(xing)(xing)上空，天問一號探測(ce)器(qi)系(xi)統中的(de)(de)“兩兄弟(di)”在做(zuo)最(zui)后的(de)(de)告別(bie)——相伴295天后，環繞器(qi)和承載著“祝(zhu)融號”火(huo)星(xing)(xing)車的(de)(de)著陸巡視器(qi)正式(shi)分(fen)離(li)。
隨后，環繞器抬升了(le)自己(ji)的軌道，迎來新的使命——為火星(xing)和(he)地球之間架起通信橋梁。
此時，著陸巡視器獨自上路(lu)，它(ta)調整姿態，防(fang)熱(re)大(da)底朝前，沿著進入火星(xing)大(da)氣(qi)層(ceng)(ceng)的軌(gui)道滑行，瞄(miao)準進入火星(xing)大(da)氣(qi)層(ceng)(ceng)的狹窄“走廊(lang)”。
三小時后，它進入火(huo)星大氣，迎來整個火(huo)星探測任務的驚心動魄時刻。生死考驗后，它將代表(biao)中(zhong)國完成首(shou)次著(zhu)陸火(huo)星的壯(zhuang)舉。
“天問一號”距離家鄉3.2億公(gong)里(li)，是走得最遠(yuan)的中(zhong)國遠(yuan)行客。去(qu)年7月23日，它(ta)從海南文昌啟程，迄今(jin)已跋涉295天。
這些天里，它曾舉起自(zi)拍桿，拍下深(shen)空(kong)掠影(ying)，向祖國報告平安；也曾回望(wang)故土家(jia)園，拍下地(di)月合影(ying)，遙寄(ji)思鄉之(zhi)情。
最重(zhong)要的，它先(xian)后(hou)多次修(xiu)正前行(xing)軌道(dao)，更(geng)精準(zhun)地朝火星奔(ben)去。
今年2月24日，它踩下了“史上最難(nan)”的太空(kong)剎車——通過3次近(jin)火(huo)制動(dong)，成功進入火(huo)星軌道，順(shun)利(li)飛抵火(huo)星。在(zai)火(huo)星上空(kong)踩下的這幾腳剎車，分寸(cun)有多難(nan)拿捏？科學(xue)家(jia)說，就像從巴(ba)黎打出一(yi)個高爾夫球(qiu)，讓它落進東京的某(mou)個球(qiu)洞里。
到達火星上空后(hou)，“天(tian)問一號”沒(mei)有立即降落，而是環火飛行數月。
中國(guo)首(shou)次探測火星，最重要的是妥妥成(cheng)功(gong)，因此，“天問一號”選擇了最穩(wen)妥的模式——“先繞后落”。
我(wo)國在(zai)“天(tian)問(wen)一(yi)(yi)號”探測任(ren)(ren)務(wu)之前，尚不掌(zhang)握(wo)第一(yi)(yi)手火星環境資料，對(dui)火星的地形地貌(mao)、天(tian)氣環境等各(ge)方面情況尚不熟(shu)悉(xi)。在(zai)本次任(ren)(ren)務(wu)中(zhong)，根(gen)據全球已公開的數據，在(zai)任(ren)(ren)務(wu)規劃中(zhong)首先預選出一(yi)(yi)個(ge)首選著(zhu)(zhu)陸區(qu)以(yi)及一(yi)(yi)個(ge)備選著(zhu)(zhu)陸區(qu)，并通過環繞火星的方式對(dui)預選著(zhu)(zhu)陸地點(dian)進(jin)行探測。
在將近3個(ge)月的(de)時間里，“天問一號”在火(huo)星(xing)停(ting)泊軌道上“兜圈”式飛掠，不停(ting)地(di)鳥瞰著(zhu)陸點——烏托邦平原。借助攜帶(dai)的(de)相機(ji)和光譜(pu)儀(yi)，它看清(qing)了火(huo)星(xing)的(de)地(di)形地(di)貌，監測(ce)到了火(huo)星(xing)沙塵暴的(de)當季動向，也看到了著(zhu)陸地(di)區的(de)坡度、凹(ao)坑等。
科(ke)研人(ren)員根據(ju)觀(guan)察到的(de)最新(xin)情(qing)況，不停地完善火星著(zhu)陸(lu)方案，避開惡(e)劣的(de)火星天(tian)氣，選擇一個“風和日(ri)麗”的(de)日(ri)子實施火星著(zhu)陸(lu)計劃。
自主闖險關
北京航天(tian)飛行控制(zhi)中(zhong)心，隨著(zhu)(zhu)“天(tian)問一號”兩兄弟分離(li)，科研人員也進入(ru)了最后的(de)忙(mang)碌時間(jian)。很快，著(zhu)(zhu)陸巡視器將(jiang)迎來火(huo)星著(zhu)(zhu)陸的(de)挑戰。其間(jian)，信號會(hui)被等(deng)離(li)子(zi)鞘層切斷，“天(tian)問一號”將(jiang)短暫失聯，所有的(de)難關只能靠著(zhu)(zhu)陸巡視器自主去闖。
此刻(ke)的航天科技工作者就像一位(wei)丈夫，妻(qi)子即將進入產房(fang)，他等候在(zai)門外，能做的已經很少(shao)，但抑制不住興(xing)奮和(he)緊張。
火星(xing)著(zhu)陸素有“黑(hei)色7分鐘”的(de)說法(fa)，最早起源(yuan)于美國火星(xing)探測任(ren)務，揭示著(zhu)陸過程(cheng)(cheng)的(de)險象(xiang)環(huan)生，具體耗時卻不盡(jin)相同。中國“天問(wen)一(yi)號”任(ren)務中，探測器從進入(ru)大氣到著(zhu)陸火星(xing)，全程(cheng)(cheng)預(yu)計(ji)9分鐘。
火(huo)星(xing)稀薄的(de)大氣屏障曾(ceng)讓數個人類探測器殞命。一頭扎進不可(ke)知的(de)大氣環(huan)境，是世界一半(ban)以上火(huo)星(xing)探測器著陸失敗的(de)主要原因。天問一號在贏得(de)榮譽之前，先(xian)要經受(shou)世所罕見的(de)殘酷考驗。
事實上，我國雖未著陸火(huo)星(xing)，卻有類似的(de)技術(shu)基(ji)礎(chu)。我國“神舟”系列(lie)飛船曾(ceng)多(duo)次成功從太空返回地球(qiu)，“嫦娥(e)”系列(lie)探測器也曾(ceng)多(duo)次實現(xian)月(yue)球(qiu)軟著陸，這些都(dou)意味著我國已(yi)熟練掌握降落傘(san)減速、動力反推(tui)減速等技術(shu)。
但這些技術能(neng)不能(neng)照搬到(dao)火星著(zhu)陸(lu)上來？答案是否定的(de)。
主要是(shi)因為火星大氣(qi)環(huan)境的(de)特殊性。火星有一(yi)層稀薄的(de)大氣(qi)，這使得火星著陸(lu)與(yu)登陸(lu)月球相比，不能僅僅采用動(dong)(dong)力反推(tui)的(de)方式，還需增加氣(qi)動(dong)(dong)減(jian)速和(he)傘(san)系減(jian)速等環(huan)節(jie)，因而著陸(lu)控制更為復雜。而地球雖然(ran)也有大氣(qi)層，卻與(yu)火星不同(tong)。
根據目前掌握的(de)資料，火星表面常有風沙(sha)和塵(chen)暴，會(hui)對著陸火星產(chan)生致命干擾，但對其具(ju)體運行規律卻知之甚少(shao)。
另一個難(nan)點在于，當火(huo)星探(tan)(tan)測(ce)進行到著陸(lu)(lu)這最為兇險的一步時，探(tan)(tan)測(ce)器(qi)與地球(qiu)卻是完全失(shi)聯的。火(huo)星探(tan)(tan)測(ce)器(qi)總體主任設計師王(wang)闖介紹，首先，探(tan)(tan)測(ce)器(qi)高速再入時，和稀(xi)薄大氣積(ji)壓產生沖(chong)擊波，形(xing)成等離子鞘層，導致(zhi)通信(xin)中(zhong)斷；其次，因為火(huo)地距離3.2億公里，無線電信(xin)號一來(lai)一回要35分鐘(zhong)，著陸(lu)(lu)過(guo)程(cheng)卻只(zhi)有短(duan)短(duan)幾分鐘(zhong)，人根本來(lai)不及(ji)干預。
兩萬公里到零的降速
7時許，天(tian)問一(yi)號著(zhu)陸巡視(shi)器飛向火(huo)星(xing)大氣層，“驚心動魄(po)9分鐘”拉(la)開序幕。此前人類21次(ci)嘗試著(zhu)陸火(huo)星(xing)，美國取得8次(ci)成功，蘇聯火(huo)星(xing)三號著(zhu)陸20秒后失(shi)聯，其他嘗試均(jun)告失(shi)敗(bai)。現在，中國隊來到賽道(dao)。
著陸巡視(shi)器快速(su)沖向火星(xing)(xing)(xing)，時(shi)速(su)高達2萬(wan)公(gong)里(li)，約為(wei)“和諧號”高鐵時(shi)速(su)的(de)70倍。從火星(xing)(xing)(xing)上(shang)空到達火星(xing)(xing)(xing)表面(mian)，總共只有不到10分鐘，如何在這么短時(shi)間里(li)把速(su)度從2萬(wan)公(gong)里(li)降到零(ling)？火星(xing)(xing)(xing)著陸的(de)終極手段是降速(su)。
“天問一(yi)號”任務火星(xing)著陸共分(fen)為4個階段(duan)：氣動減速(su)段(duan)、傘系減速(su)段(duan)、動力減速(su)段(duan)、懸停避障與(yu)緩速(su)下(xia)降段(duan)。火星(xing)著陸過程復雜、動作繁多，環環相扣、步(bu)步(bu)驚(jing)心，一(yi)招出錯、全盤皆輸。
第一階段(duan)為(wei)(wei)氣(qi)動減(jian)速段(duan)，火星(xing)既有的(de)稀薄大(da)氣(qi)與(yu)進入(ru)艙(cang)產生(sheng)摩(mo)擦實現減(jian)速。著陸巡視器被裝(zhuang)在進入(ru)艙(cang)中(zhong)，進入(ru)艙(cang)分為(wei)(wei)背罩(zhao)和大(da)底(di)，大(da)底(di)是一個盾(dun)形結構，飛(fei)入(ru)大(da)氣(qi)層時，大(da)底(di)斜向下對抗沖擊和燒蝕。
航天科(ke)技集團(tuan)的研(yan)(yan)制團(tuan)隊進(jin)行(xing)了(le)大量(liang)風洞試驗，從積累(lei)基礎數(shu)據開始，最終完成(cheng)了(le)進(jin)入(ru)艙氣動外形和熱防護的研(yan)(yan)究(jiu)、設計。
氣動(dong)減(jian)(jian)速(su)(su)階段(duan)(duan)有一個(ge)環節是展(zhan)開(kai)配(pei)平翼，目(mu)的是減(jian)(jian)少探測器的晃動(dong)，給后(hou)續打開(kai)降落傘(san)創造更好的條件(jian)。氣動(dong)減(jian)(jian)速(su)(su)過程克服(fu)了(le)高溫和姿態偏(pian)差，約5分鐘減(jian)(jian)速(su)(su)后(hou)，著陸巡視(shi)器的下降速(su)(su)度也減(jian)(jian)掉(diao)了(le)90%左右(you)，降到每秒約460米(mi)。這時，著陸巡視(shi)器距離火星(xing)表(biao)面約11公里，著陸進入了(le)第(di)二(er)階段(duan)(duan)——傘(san)系減(jian)(jian)速(su)(su)段(duan)(duan)。
如果(guo)能夠順利打開降(jiang)落(luo)(luo)(luo)傘(san)，火(huo)(huo)星著陸(lu)就成功了90%。開傘(san)過程很(hen)巧妙。降(jiang)落(luo)(luo)(luo)傘(san)裝在彈(dan)傘(san)筒中(zhong)，彈(dan)傘(san)筒有單門(men)冰箱大小，裝在進入(ru)艙(cang)背罩的(de)正下方。收到(dao)控制系統發出的(de)點火(huo)(huo)指(zhi)令后，彈(dan)傘(san)筒中(zhong)的(de)火(huo)(huo)藥(yao)點燃(ran)，產生的(de)高壓燃(ran)氣(qi)推動(dong)傘(san)包沖(chong)開筒蓋，飛(fei)出進入(ru)艙(cang)。隨(sui)后，降(jiang)落(luo)(luo)(luo)傘(san)以倒拉的(de)方式展開。這(zhe)頂降(jiang)落(luo)(luo)(luo)傘(san)是我(wo)國首次亮相的(de)鋸齒形(xing)盤縫帶傘(san)型，展開面積(ji)達(da)到(dao)200平方米。很(hen)快(kuai)，它充氣(qi)張(zhang)滿，48根黃(huang)色傘(san)繩拉得(de)筆直。
著陸火星(xing)，我國(guo)要(yao)(yao)首(shou)次在超聲速、低(di)密度、低(di)動壓(ya)(ya)的(de)條(tiao)(tiao)件下(xia)開傘(san)(san)(san)，以往航(hang)天(tian)器(qi)的(de)降落傘(san)(san)(san)不適合在火星(xing)使(shi)(shi)用(yong)，要(yao)(yao)么(me)是(shi)不能在超聲速下(xia)完成(cheng)對降落傘(san)(san)(san)的(de)穩定(ding)充氣，要(yao)(yao)么(me)是(shi)不能滿(man)足低(di)密度低(di)動壓(ya)(ya)條(tiao)(tiao)件下(xia)的(de)穩定(ding)性需求。針對火星(xing)探測(ce)任務，降落傘(san)(san)(san)設計師首(shou)次設計使(shi)(shi)用(yong)了鋸齒(chi)形盤縫帶傘(san)(san)(san)型，并采用(yong)了新(xin)研制的(de)特紡材料，創新(xin)了傘(san)(san)(san)繩插接(jie)工藝(yi)，提高了降落傘(san)(san)(san)的(de)強度與可(ke)靠性。
隨著(zhu)(zhu)紅白色巨型(xing)降落傘(san)的展開，著(zhu)(zhu)陸(lu)巡視器下降變(bian)得更(geng)慢，隨后(hou)進入艙的大底拋開，承載著(zhu)(zhu)“祝(zhu)融(rong)號”火星(xing)車的著(zhu)(zhu)陸(lu)平臺(tai)率先(xian)與火星(xing)打了照面。
“祝融”穩落火星
降(jiang)落(luo)傘把(ba)速度降(jiang)到每秒(miao)約(yue)95米，著(zhu)陸巡視器距(ju)離火星表(biao)面1～2公里(li)，此(ci)時(shi)，降(jiang)落(luo)傘攜帶進(jin)入(ru)艙(cang)的背罩與著(zhu)陸巡視器分(fen)離。“祝(zhu)融”露出頭來，呼吸(xi)到了(le)火星上(shang)的新鮮大氣。
但降落還沒有停(ting)止(zhi)，驚(jing)心動魄時(shi)刻(ke)并未結束，此時(shi)，推進系統開始(shi)擔綱(gang)主力(li)，火星著陸進入第三個(ge)階段(duan)——動力(li)減速段(duan)。
天問一號(hao)著陸(lu)巡(xun)視(shi)器推(tui)進分系統主任(ren)設計(ji)師韓泉東(dong)介(jie)紹(shao)，著陸(lu)巡(xun)視(shi)器上配置了1臺(tai)7500牛變推(tui)力(li)發動(dong)機(ji)和26臺(tai)姿控(kong)發動(dong)機(ji)。
其(qi)中，7500牛(niu)變推力(li)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)安裝在著陸(lu)平臺的(de)正下方，為該階段減(jian)速(su)提(ti)供主要動(dong)(dong)(dong)力(li)；8臺250牛(niu)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)方向與主發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)一致，配合(he)主發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)實(shi)施減(jian)速(su)；8臺水平安裝的(de)250牛(niu)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)可用(yong)(yong)于橫向平移；其(qi)余姿控(kong)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)均用(yong)(yong)于精確姿態控(kong)制。
在多臺發(fa)動機的作用(yong)下(xia)(xia)，著陸下(xia)(xia)降速(su)度從每秒約(yue)95米降至每秒約(yue)1.5米。
距離(li)火星表面100米時(shi)，著陸(lu)巡視器懸停了(le)下(xia)來，但還不是(shi)休息(xi)的時(shi)候，火星著陸(lu)過程進入(ru)到最后一個(ge)階段——懸停避障與(yu)緩速下(xia)降段。
人(ren)類探索火(huo)星(xing)(xing)的(de)(de)減速方式(shi)(shi)大(da)(da)致相似，但到了(le)最后一(yi)步(bu)(bu)，距離火(huo)星(xing)(xing)咫尺之遙時，方式(shi)(shi)開始多樣起來。綜觀以(yi)往，最后一(yi)步(bu)(bu)大(da)(da)致可分為氣囊(nang)彈跳(tiao)式(shi)(shi)、反推著(zhu)陸腿式(shi)(shi)和空中吊車式(shi)(shi)。氣囊(nang)彈跳(tiao)式(shi)(shi)適合小重量探測(ce)器(qi)著(zhu)陸要(yao)求，反推著(zhu)陸腿式(shi)(shi)可滿足重量較大(da)(da)的(de)(de)探測(ce)器(qi)在火(huo)星(xing)(xing)軟著(zhu)陸要(yao)求，空中吊車式(shi)(shi)可滿足重量更(geng)大(da)(da)的(de)(de)探測(ce)器(qi)軟著(zhu)陸要(yao)求。
我國天問一號著(zhu)(zhu)陸(lu)(lu)(lu)巡視器(qi)采用(yong)的(de)是反推著(zhu)(zhu)陸(lu)(lu)(lu)腿式(shi)在(zai)(zai)火星表面軟(ruan)著(zhu)(zhu)陸(lu)(lu)(lu)，這同我國探月工程嫦娥三號和(he)嫦娥四號著(zhu)(zhu)陸(lu)(lu)(lu)月面的(de)方(fang)式(shi)類似。懸停在(zai)(zai)空中(zhong)后，著(zhu)(zhu)陸(lu)(lu)(lu)巡視器(qi)搭載的(de)微波測(ce)距測(ce)速敏感器(qi)、光學相機(ji)等6臺儀器(qi)都(dou)同時開啟，對火星表面進行觀(guan)察和(he)分析，判斷出(chu)火星表面哪里(li)更平整，在(zai)(zai)哪里(li)“落腳”更安(an)全。
這一步同樣關鍵，如果著陸地點選(xuan)不(bu)好，前面(mian)所有努(nu)力(li)或(huo)許都會付諸(zhu)東(dong)流(liu)。此時，在推進系(xi)統提供(gong)的(de)連續可調的(de)軸向推力(li)和(he)強勁(jing)的(de)橫向推力(li)作用(yong)下，著陸巡視(shi)器尋(xun)找最(zui)(zui)優(you)著陸點，選(xuan)擇更加平(ping)坦的(de)地形，確認(ren)最(zui)(zui)終著陸位置(zhi)，實施緩速下降(jiang)。
7時18分，4條著(zhu)陸(lu)腿與(yu)火星(xing)表面第(di)一(yi)次(ci)親密接(jie)觸(chu)。觸(chu)地(di)后，帶有緩沖(chong)裝置的(de)(de)(de)4條著(zhu)陸(lu)腿有效抵擋了著(zhu)陸(lu)瞬(shun)間(jian)的(de)(de)(de)沖(chong)擊力(li)，在與(yu)推進系統共同作用下，重1.3噸的(de)(de)(de)著(zhu)陸(lu)巡視器穩穩地(di)落在火星(xing)烏托邦(bang)平原(yuan)南部的(de)(de)(de)預定著(zhu)陸(lu)區(qu)域。
闖過(guo)“驚心動魄(po)9分(fen)鐘”，中(zhong)國首(shou)個火(huo)星(xing)探(tan)測器平安抵達火(huo)星(xing)表面。從(cong)上(shang)空(kong)俯瞰，“祝融號”像一只展翅的大鵬(peng)，駛下著陸平臺，在(zai)火(huo)星(xing)表面軋下第(di)一道“中(zhong)國印”。
【責任編輯：家正】
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