“天问一号”成功“落火”！这9分钟多惊险？

　　南方日报记者王诗堃徐勉

　　通讯员 李柏杨 宋星光 黄国畅

　　着陆从凌晨开始。5月15日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”；降轨完成后，建立两器分离姿态，经地面判断允许后释放着陆巡视器。

　　4时许，着陆巡视器与环绕器分离，历经约3小时飞行后，着陆巡视器进入火星大气，经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲，7时18分成功软着陆于预选着陆区。

　　另一边，环绕器在两器分离约30分钟后，升轨返回停泊轨道，为着陆巡视器提供中继通信。

　　着陆巡视器安全着陆后，将进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开；“祝融号”火星车会驶离着陆平台，开展火星表面巡视探测。而环绕器除了给火星车提供中继通信外，还将利用搭载的7种科学载荷，对火星表面及其次表层开展科学探测，完成火星全球遥感探测任务。

　　由此，我国成为世界上第二个有能力实现火星表面巡视探测的国家，让我们共同期待火星车后续的探测成果。

　　停泊轨道3个月

　　观测预选着陆区，确认登陆地

　　去年7月发射的3颗火星探测器中，“天问一号”和美国的“毅力号”均要在火星表面软着陆。与“毅力号”直接实施火星表面软着陆不同，在“天问一号”实施登陆前，探测器首先在停泊轨道上运行了3个月。

　　这3个月，是用来对预选着陆区进行观测的。

　　与成功进行了多次火星探测任务的美国相比，我国在“天问一号”探测任务之前，尚不掌握第一手火星环境资料，对地形地貌、天气环境等情况尚不熟悉。因此在任务规划时，我国只是根据全球已公开的数据预选出一个首选着陆区和一个备选着陆区。最终的着陆点，还要依靠亲自探测第一手数据分析决定。

　　为保证探测效果，研制团队设计的环火停泊轨道为回归轨道，即每圈轨道的近火点均位于首选着陆区的正上方，这种轨道设计可以使探测器每次运行到近火点时均可以对着陆区进行详查。

　　据中国航天科技集团八院509所环绕器总体设计师介绍，环绕器对预选着陆区的探测包括地貌、天气两个主要方面。通过高分辨率相机、中分辨率相机、光谱仪等载荷的探测数据，火星环绕器生成火表遥感图像，以遥感图像为基础，对火星表面的地形地貌（如坡度、凹坑、石块等）进行辨识分析，并绘制火星表面高程图。

　　位于地球的科研人员利用这些参数开展三维高精度建模，并进行着陆仿真验证，确保预选着陆点的地貌条件充分适合探测器的软着陆及后续火星车的巡视探测任务。

　　在对预选着陆区进行探测的同时，环绕器也对火星的天气情况进行监测，从而避开沙尘暴等恶劣天气，选择“风和日丽”的日子实施两器分离任务。

　　分离控制7小时

　　每个环节精准无误、分秒不差

　　“天问一号”包括环绕器和着陆巡视器（火星车+着陆平台）两部分。

　　环绕器可以理解为搭载着陆巡视器的“专车”。在登陆火星一系列动作中，它需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等一系列动作，分离前后的控制总共需要约7个小时。这些太空芭蕾般的优美舞姿，都需要环绕器自主、准确、可靠地完成。

　　“这是一系列很关键的姿态和轨道机动，稍有不慎，探测器就可能被火星引力拉向火星表面坠毁。由于通信时延的存在，我们没有办法实时获知探测器的状态，无法对异常情况进行及时干预。”环绕器副总设计师朱庆华说，“可以说，两器分离的过程是对我们控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验”。

　　明确了着陆器准确的着陆点后，探测器的一系列机动也就随之确定下来。在探测器进行第一次降轨点火的3个小时前，设计师们已上注所有控制策略，策略中包含了对可能发生情况的应对。

　　分离时环绕器的轨道控制精度和姿态控制精度，是着陆巡视器能否进入预定着陆区的前提。这些需要依赖于敏感器、执行机构、计算机以及算法的准确性，可以说是对探测器导航、制导与控制分系统的一次“大考”。实际过程中，探测器需要自主进行测量计算并进行判断，每个环节都必须精准无误、分秒不差。

　　设计师们也做了不同情况下的预案和对策。当环绕器通过自身的敏感器发现没有完成既定动作时，会自主携带着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星，并在合适时机再次选择执行两器分离的一系列动作。

　　惊心动魄9分钟

　　时间短动作多，完全自主控制

　　从踏上进入点的那一刻起，“天问一号”就迎来了此次探火旅程中最为惊心动魄的“黑色9分钟”。目前，人类火星探测任务的成功率仅五成左右，大部分都在“进入/下降/着陆”这一阶段失利。

　　这一阶段是火星探测最大的难点，需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术，才能实施软着陆。

　　每个环节都必须确保精准无误，才能避免任务的失败。为此，“天问一号”任务继承了嫦娥三、四、五号成熟的悬停、避障技术。在上述措施的基础上，科研人员还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道—升力式进入方案，以降低火星大气参数不确定性带来的风险，提高适应能力。

　　着陆过程技术十分复杂：探测器瞄准进入火星大气层的一个狭窄进入走廊，接着气动减速，火星专用降落伞展开；待降落伞完成使命后，探测器抛掉大底和背罩，露出着陆平台和火星车；大推力发动机开始工作，探测器观察地面，寻找最安全的具体着陆地点；最后，四条着陆腿稳稳降落在火星表面。

　　值得一提的是，整个过程时间短、动作多，地面无法干预，完全靠探测器自主控制。

　　“祝融”号火星车设计工作寿命是90个火星日，相当于地球上的92天。在这期间，它将在火星表面巡视并采样，然后将数据通过环绕器“中继”发回地球。

　　将火星车数据传回地球并不是件容易事。在距离地球约3亿公里的轨道上准确指向地球，相当于要在2米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身还在不断的飞行运动情况下，时刻保持住瞄准状态。设计师们采取了一系列可靠的安全策略，以确保火星车与地球的顺畅通讯。

　　按照计划，在火星车结束巡视探测工作后，环绕器将继续在火星轨道进行环绕科学探测。