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米/秒|天问何以“一落成功”

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天问何以“一落成功”

米/秒|天问何以“一落成功”
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伞降控制段 抛大底 测距测速敏感器开始工作 动力减速段 主发动机开机 缓速下降段 触地 主发动机关机 制图：冯晓瑜图片来源：均新华社
■本报首席采访人员 许琦敏
昨天7时18分 ， 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 ， 实现了我国首次地外行星着陆 。 着陆火星是火星探测之旅中挑战最大的一关 ， 至今成功率只有约50% 。 中国首次火星探测任务缘何能够“一落成功”？全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示 ， 我国航天专家通过充分的工程与科学论证 ， 以工程实现风险低、科学探测价值高为原则 ， 将着陆区选在了火星最大平原乌托邦平原南部 。 同时根据“祝融号”火星车的特点 ， 以及我国航天既有成熟技术和经验 ， 选择了反推着陆腿式着陆方式 。 在千万航天人的精密测控下 ， 天问一号自主完成了“生死九分钟”的挑战 。
着陆乌托邦平原 ， 探寻火星是否有生命存在
如何在约1.4亿平方公里的火星表面 ， 为火星探测器选择一个合适的着陆点？庞之浩说 ， 它必须满足两个最基本的条件：一是在工程上可实施 ， 比如着陆点要相对开阔平坦 ， 以便在探测器着陆时不受到损坏 ， 同时还要兼顾能与地球进行测控通信 ， 光照较为充足等条件；二是在科研上有价值 ， 比如着陆点的地质构造、物质元素比较丰富 ， 其他国家此前没有探测过等 。
天问一号于今年2月被火星捕获后 ， 在环火的三个月飞行中 ， 拍摄了大量火星表面照片 。 通过综合分析 ， 由航天工程师与行星科学家共同反复研究和比较分析 ， 最终选出符合探测任务要求的着陆地点 。
此次天问一号着陆巡视器的首选着陆点——乌托邦平原 ， 位于火星北纬5°至30°的北半球 ， 那里地势平坦 ， 阳光照射条件也比较好 。 由于“祝融号”火星车采用太阳能电池供电 ， 它所携带的用于导航和检测障碍的光敏感器也需要良好的光照条件 ， 所以选在阳光充足、昼夜温差较小的乌托邦平原着陆 ， 也有利于火星车的后续工作 。
另外 ， 乌托邦平原很可能是火星远古海洋的所在地 ， 在此着陆有利于探索和研究火星上是否存在生命这一当前火星探测的热门问题 。 最新科学探测发现 ， 在火星乌托邦平原距离地面1到10米的浅表底层下方有大量地下水冰存在 ， 储水量相当于地球面积最大的淡水湖——苏必利尔湖 。 火星地下有水 ， 是否意味着火星存在或曾经存在过生命？火星是否会是地球人的未来家园？“祝融号”火星车的探索将可能为这些问题提供更多答案 。
自主执行上百个程序 ， 安全度过“生死九分钟”
火星着陆究竟有多难？庞之浩说 ， 业界通常将其难度形容为“相当于从巴黎打一个高尔夫球 ， 正好落到东京的某个洞里” 。
由于火星距离地球太遥远 ， 地面的遥测和遥控信号很微弱 ， 且地火之间的通信延时达10分钟以上 ， 而且当火星探测器运动到火星背面时 ， 地球上就无法准确确定其轨道参数 。 所以 ， 着陆火星的全过程 ， 一切都要靠探测器自主进行 。 “因此 ， 必须在火星探测器着陆前 ， 提前注入数据 ， 使它在着陆过程中完全自主地执行上百个程序 ， 任何一个程序都必须非常精确 ， 一秒不差 。 ”庞之浩说 ， 正因如此 ， 探测器降落火星的过程通常被称为“生死七分钟” 。
此次 ， 天问一号则经历了“生死九分钟” 。 这九分钟分为四个阶段：第一阶段是气动减速段 ， 依靠火星大气阻力 ， 将装有着陆巡视器的进入舱速度从4.8千米/秒减速到460米/秒；第二步是伞降减速段 ， 进入舱打开降落伞 ， 将速度由460米/秒降到95米/秒；第三步是动力减速段 ， 进入舱把大底和背罩抛掉 ， 露出着陆平台和火星车 ， 同时平台上的大推力缓冲发动机开始工作 ， 进一步把速度减小到3.6米/秒；最后则是着陆缓冲段 ， 着陆巡视器在高度降为100米的时候速度基本降到0 ， 进行悬停避障 ， 观察地面 ， 寻找最安全的着陆地点 ， 最后通过四条着陆腿的缓冲作用在火星表面软着陆 。
此次火星着陆 ， 我国采用的是反推着陆腿式 。 庞之浩解释 ， 这是因为“祝融号”火星车的重量为240公斤 ， 比较适合采用这种方式 。 另外 ， 这种着陆方式与“神舟”飞船返回舱返回地球类似 ， 可以借鉴此前的技术和经验 。
成功着陆后 ， 火星“天地”同步展开科学研究
成功着陆火星 ， 对于“祝融号”火星车来说 ， 刚只迈出了第一步 。 后续 ， 它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 。
“拍照”是“祝融号”最主要的科学研究目标之一 。 它携带了多台相机 ， 包括可拍摄火星高清广角大图的导航地形相机 ， 能详细分析地形、地貌和地质的多光谱相机 ， 能将砂石放大到微米级的微成像相机等 。 “祝融号”还携带有火星表面成分探测仪 。 这台由中国科学院上海技术物理所和中国科学院上海光学精密机械研究所联合研制的设备 ， 能在数米外用激光把岩石成分烧蚀成等离子体 ， 同时利用短波红外光谱显微成像仪进行分析 ， 可对着陆区的火星表面元素、矿物和岩石开展高精度科学探测 ， 为验证“古海洋”假说提供数据支持 。
此外 ， 通过次表层探测雷达 ， “祝融号”还能探测火星土壤和浅层地下结构——火星没有全球覆盖的稳定磁场 ， 但表面仍存在支离破碎的偶极磁场 ， 或许通过火星车的探测 ， 能够逐步还原出火星的演化历史 。 而车上配备的气象测量仪 ， 则能让人类更多了解这颗神秘行星的“脾气” 。
【米/秒|天问何以“一落成功”】当“祝融号”车在火星表面开始工作后 ， 天问一号环绕器将会为它提供各种服务 ， 包括将各种科研数据传回地球 ， 同时向它转发来自地球的指令 。 实际上 ， 环绕器本身也是一个超级科研平台 ， 将开展环绕科学探测 。 它携带了中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计等七项仪器 ， 可在多种轨道高度对火星的大气电离层情况、周边行星际环境、土壤类型和分布等问题 ， 进行整体性、全球性、综合性研究 。

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