快讯！“天问一号”成功着陆火星！

　　据新华社、人民日报官方微博，5月15日，我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆，在火星上首次留下中国印迹，迈出了我国星际探测征程的重要一步。

　　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。

　　着陆火星，总共分几步？

　　要想着陆火星，总共分几步？

　　答案很简单，三步:

　　第一步是“进入”，

　　第二步是“下降”，

　　第三步是“着陆”。

　　也就是传说中的EDL过程，

　　E就是Entry，进入;

　　D就是Descent，下降；

　　L就是Landing，着陆。

　　天问一号的EDL旅程，

　　从火星大气上边界（距火面约125km）开始，

　　总的来说，航天器进入拥有大气层的天体时，

　　有以下几种进入方式：弹道式、半弹道式（或称弹道-升力式）、跳跃式、椭圆衰减式。

　　所谓弹道式，就是航天器在大气层中飞行时，

　　大气来流方向沿着航天器的几何对称轴方向，

　　进行“正面刚”，

　　此时只有阻力没有升力；

　　除此之外，对升力不加以控制也归于此类。

　　这时的航天器就像子弹、炮弹一样“直奔主题”

　　这种方式最早见于导弹的弹道设计。

　　我国的返回式卫星，美苏的第一代载人飞船，

　　都是采用此种方式返回地球。

　　这是航天器最“朴素”的一种再入方式，

　　等于直接从太空“扔”进大气层，

　　这种方式下，

　　航天器气动总加热量较小，

　　但是过载较大，

　　落点精度较差。

　　半弹道式属于弹道式的升级2.0版，

　　在此情况下，大气来流方向没有沿着航天器的几何对称轴方向，

　　气体作用在航天器表面，不仅产生阻力，

　　也会产生升力。

　　有了升力的“扶助”，

　　航天器会按一条较为平缓的轨迹下降，

　　有效减少了过载，

　　同时，通过升力控制可以为航天器“定制”航向，

　　从而提高了落点精度，

　　但因为延长了飞行时间，总加热量增大。

　　中国的神舟号飞船，美国的双子星座均使用此类方法实现再入返回

　　跳跃式则是在半弹道式的基础上，“升力plus”的轨道设计方法

　　航天器以较小的角度进入大气层，

　　这样可以产生足够的升力使其“一跃而出”

　　之后航天器再次进入或多次进出大气层，

　　最终达到减速的目的。

　　刚刚载誉归来的嫦娥五号返回舱就是一名优秀的“跳跃”选手，

　　最后，椭圆衰减轨道则是更加“任性”的存在，

　　它选择以更加小的进入角掠过大气层，

　　而后“绕个圈圈”再次重复上述操作，

　　每次将椭圆半径减小一点，

　　直至最后落入大气层中，

　　这种方式无法预先选定着陆点，

　　花费时间长，一般只在紧急情况下，

　　作为应急救援使用。

　　天问一号采用的是半弹道式设计，

　　在进入段要解决两个最重要的问题：

　　一是“进得去”，

　　二是“进得稳”，

　　解决“进得去”的问题，

　　关键一步就是进入角θ的设置，

　　如果进入角过大，

　　航天器 “一头扎进”大气层中，

　　会在进入过程中被烧坏；

　　如果进入角过小，

　　航天器将会“跃出”大气层，导致无法成功进入。

　　经过科学家和工程师们的精密计算，

　　一般采用进入角为十度左右设计再入轨迹，

　　而解决“进得稳”的问题，

　　就要靠航天器的攻角η设计了，

　　首先将航天器的质心配置在偏离纵轴的位置上，使其“不稳”，

　　待航天器进入大气层后，

　　气动力矩会逐渐改变它的姿态，

　　最终，运动方向、质心、压心处于一条直线，

　　航天器便可维持相对稳定的姿态，“抬头前进了”

　　这个“抬头”角度就是配平攻角。

　　整个航天器“自我调节”至姿态稳定的过程，

　　也被称为“攻角配平段”。

　　它是航天器“稳稳当当”进入大气层的第一步

　　随后航天器进入升力控制段，

　　自带的推进机构可以使航天器在一定程度上

　　HOLD住自身姿态，或者改变姿态以调整航向

　　确保“稳重大方”地造访火星

　　在升力控制段结束之后，

　　天问一号将伸出“小翅膀”（配平翼），

　　通过产生反向气动力矩，

　　抵消质心偏移产生的气动力矩

　　将进入舱“立”起来，把攻角减少到0°，

　　也就是“直面”速度方向，

　　为开伞做准备。

　　地球上载人飞船使用的降落伞，

　　是在亚音速条件下打开使用。

　　而在火星上使用降落伞，

　　是在超音速条件下打开充气。

　　如果不提前把攻角减少到0°，

　　过快的速度会使得降落伞在拉直过程中，

　　“摇摆不定”偏离拉直方向，

　　造成如伞衣损坏、伞绳断裂、

　　漏气塌陷等后果，

　　所以需要提前“摆正姿态”。

　　在前期“疯狂减速”基础上，

　　航天器速度已从4.8km/s减速到数百米/秒

　　完成总减速量90%以上，

　　使得航天器具备伞降条件。

　　此时，巡视着陆器“头顶”降落伞展开，

　　开始在火星上“兜风” ，

　　当速度减小至亚音速后，

　　就可以抛掉一路以来“冲锋在前”的大底。

　　随着减速继续，

　　当着陆巡视器速度降至不足百米/秒时，

　　靠火面的稀薄大气已经不能继续有效支撑伞降，

　　降落伞减速效率不再具有优势，

　　着陆巡视器就会“破壳而出”抛弃背罩，

　　进入动力减速段。

　　从动力减速段开始，

　　火星车和着陆平台就要用自己的“眼睛”去看，

　　用自己的“力气”去走，

　　开始为着陆做准备，

　　首先是发动机点火工作，

　　进行动力减速，

　　着陆巡视器降至距离火面百米左右高度时，

　　悬停在空中开启雷达和光学相机，

　　探测预选着陆区，测定离火面高度，

　　对着陆区成像，自主分析地形，

　　选出较为平坦的区域准备着陆。

　　之后瞄准自主选择好的着陆位置，

　　缓速下降，

　　将自己“小心轻放”于火星表面。

　　经过这一趟惊险闯关，

　　我们的着陆巡视器终于踏上红色大地了

　　火星，我们来啦！

　　让我们一起期待祝融号在火星的的表现吧。

　　资料：新华社、人民日报官方微博、探月与航天工程中心（石萌 周继时 戚铁磊）

　　编辑：陈庚、顾依依