1个发动机，3项关键技术，“祝融号”登陆火星就是这么简单
时间回到2020年7月23日12时41分，中国在海南文昌发射场发射了“天问一号”火星探测器。2021年2月10日19:52，经过几次中途修正，“天问一号”最终进入火星轨道，并成功被火星引力捕获。5月15日7时18分，“祝融号”火星车和着陆器成功登陆火星“乌托邦平原”，传回了中国首张火星表面照片和一张火星车的自拍照。5月22日10时40分，“火星车”离开着陆器，与火星地面近距离接触，开始执行火星环境科学、地质科学和水资源探测任务。迄今为止，作为中国发射的首个火星探测器，“天问一号”一次性完成了火星探测的三大技术步骤。这三个步骤分别是绕火星轨道运行、着陆和巡逻，即进入火星轨道、在火星表面着陆和火星车在地表行走和巡逻。为什么中国航天局首次火星探测器着陆任务就成功打破了所谓的“火星诅咒”呢？“祝融号”着陆过程中涉及的各种航天技术又是如何发展的呢?
由于地球到火星的距离极其遥远，而且火星的表面环境非常复杂， 探索 火星的旅程从一开始就极其困难。到目前为止，人类探测器 探索 火星的成功率只有50%，火星表面着陆任务的成功率只有40%左右。因此，火星 探索 任务一直被称为“火星诅咒”。在中国的“祝融号”之前，只有美国能够将火星车安全发射到火星表面，前苏联、俄罗斯和欧洲的火星车任务都没有成功。为了实现火星探测的轨道、着陆和勘探任务，中国需要许多关键技术，包括但不限于：全球深空探测网络、重型火箭发射和卫星轨道控制能力、航天器大气再入和自主软着陆技术等。
深空测控，一般是指利用来自地面的无线电信号对飞向月球和月球以外的卫星进行跟踪、遥测和遥控。一个国家要实现全球深空探测网络，不仅需要在本国领土内建立卫星监测站，还必然需要寻求国际合作，实现全空间覆盖。作为火星 探索 的先驱之一，美国在自己的领土上建立了自己的监测站，还在西班牙和澳大利亚建立了深空探测设施，并在“毅力号”探测器飞行和着陆期间与欧洲航天局的深空跟踪网络进行了合作。
相比之下，中国的深空探测网络起步较晚，但起点很高。自21世纪以来，中国已在国内建立或改进了7个航天探测网，天线的最大直径为70米。它们分布在全国各地，以确保尽可能广泛的空域覆盖。其中，2012年底由西安卫星测控中心在新疆投入使用的喀什深空测控站和佳木斯深空测控站，成功完成了中国月球车和月球采样返回计划，即“嫦娥探月工程”。
2015年7月，美国“新视野号”探测器飞越冥王星进行科学观测时，佳木斯深空测控站成功捕捉到了该探测器的信号，最长跟踪距离达到47.6亿公里。2017年9月，中国深空测控网络实现了对美国“卡西尼号”探测器坠毁土星全过程的跟踪测量，为后续实施更远距离自主深空探测任务积累了宝贵经验。为进一步满足“天问一号”火星探测器测控需求，2020年11月18日，我国首个深空探测天线阵列在新疆喀什完成调试测试任务。新建的3根35米直径天线和原来的35米天线组成了一个4 35米深的波束波导天线阵列系统，该天线具有66米直径的等效天线的数据接收能力，适用于各种类型的深空任务，具有更强大的测控支持。
除了领土内的空间站外，2014年，中国和阿根廷政府签署了一项协议，在阿根廷内乌肯省的拉斯拉哈斯市建立首个深空测控站。2017年，阿根廷深空空间站成功建成并正式投入使用，用于中阿两国开发利用外层空间。这里的地理位置与中国沿地球中心大致对称，可为“天问一号”在西半球和南半球的跟踪提供支持。此外，与“毅力号”一样，“天问一号”任务也与欧洲航天局深空跟踪网络合作；而西班牙、澳大利亚等地的ESA监测站参与了信号的中继和传输，中国深空探测网的发展为火星探测任务奠定了坚实的基础。
一个国家要想实现火星探测器的探测，重型火箭和卫星的先进轨道控制、姿态调整能力是必不可少的。作为世界上第一个一次完成轨道、着陆和巡逻任务的火星探测器，“天问一号”是一个总重量为5吨的巨型探测器，大约是美国“毅力号”的4.9倍。将这样一个两卡车重的探测器发射到火星轨道所需要的火箭推力是非凡的，在世界上正在使用的火箭中，只有3枚火箭具有5吨以上的地-火转移能力。它们分别是NASA的“德尔塔4号”重型火箭、SpaceX的 “猎鹰号”重型火箭和中国的“长征五号”火箭。
“长征五号”是我国首个从整体到子系统采用最新技术的大型液氧、氢、煤油系列运载火箭。它是我国研制的规模最大、技术跨度最大的航天运输系统工程，与以往的长征系列火箭相比，新技术占比达到了95%以上。同时，它是目前我国起飞质量最大、核心级直径最大、现役运载能力最强的火箭，近地轨道有效载荷25吨，居世界第三位。它的地火转移能力为6吨，满足“天问一号”的任务要求。2020年7月23日，搭载“天问一号”探测器的“长征五号”火箭在海南文昌发射场发射。这是“长征五号”火箭第4次成功发射，也是长征系列运载火箭第219次发射成功。
近年来，我国的火箭发射活动数量大、有效载荷高、成功率高，为火星探测器任务奠定了坚实的基础。从火箭发射数据来看，过去两年，我国每年火箭发射数量保持在40次左右，与美国基本持平。每年都在进行大量大型遥感卫星、北斗导航卫星、气象卫星、农业普查卫星等空间基础设施建设。可以说，中国航天工业经过几十年的技术发展，运载火箭技术和卫星轨道控制技术已经很成熟。
在中国国家航空航天局的任务中，“嫦娥探月”工程是深空探测的先驱项目，为火星探测铺平了道路。从2007年发射“嫦娥一号”到2020年完成“嫦娥五号”月球土壤返回任务，13年来，中国航天器深空轨道控制和可操作性得到了良好的测试。通过将“嫦娥”项目获得的姿态和轨道控制经验应用到火星探测器任务中，可以想象，火星探测器轨道控制不是中国航天的主要挑战。在2020年和2021年“天问一号”的几次轨道调整中，我们可以看到探测器的每一次轨道机动都是准确的。
由于轨道精度高，原定于2021年2月12日进行的轨道中途修正甚至被取消了。2月15日，对轨道进行了直接调整，在远地点进行了90度直角转弯，从围绕火星的水平轨道转向垂直轨道，探测器进入火星极地轨道，以实现对火星表面的最佳轨道覆盖。事实上，作为整个探测器行程中相对简单的一部分，冷战后，除美国和俄罗斯外的许多国家也试图向火星发射轨道器，包括几架欧洲航天局的探测器，印度“曼加里安号”、阿联酋“希望号”都成功地与国际深空探测网合作，为人类 探索 火星做出了重要贡献。
与绕火星轨道运行相比，火星任务最具挑战性的方面是探测器的软着陆。火星探测器的着陆过程被称为“恐怖九分钟”，在某些情况下，它也被称为“黑色七分钟”。这个过程通常被称为EDL，是进入、下降和着陆的英文首字母，而整个过程需要依靠着陆器的自主控制。在人类 历史 上，火星软着陆任务的成功率不到一半。对于中国国家航天局来说，这是第一次尝试将重量超过一吨的着陆器软着陆在火星表面，这确实是一个新的挑战。由于众所周知的困难，“天问一号”的成功着陆在一定程度上震惊了一些不太关注中国航天工业的公众。但是，如果你真正了解了中国深空探测任务的发展道路，你就不会对“天问一号”的圆满成功感到特别惊讶。毕竟，机会总是留给有准备的人，火星软着陆任务也不例外。
由于火星独特的大气和重力环境，在软着陆过程中有三个关键的技术行动：
与地球类似，火星表面也有大气层环绕，所以航天器在着陆前必须与火星大气层发生剧烈摩擦，航天器表面温度甚至可以超过1000摄氏度。这就要求着陆设备具有良好的防热措施和空气动力学形状，以便在与火星大气的摩擦中保持探测器的电子设备完好无损，避免倾覆。
大气层再入对中国的太空计划来说并不新鲜，回顾中国飞船再入的 历史 发展轨迹，自1999年以来，“神舟”系列飞船每次返回舱进入地球大气层都会与大气发生严重摩擦。自2003年以来，已有11名中国宇航员进入太空并安全返回。随着中国“天宫”空间站的启用，未来两年内将有12名中国宇航员进入太空并返回地球。2014年发射的“嫦娥五号”T1再入返回飞行试验机和2020年取回月球土壤返回地球的“嫦娥五号”返回舱，测试了飞船以第二宇宙速度重返大气层的安全性和可靠性。可以说，在“祝融号”登陆火星之前，飞船再入大气层的气动外形设计、姿态控制、热防护材料等关键技术已经得到完善和测试。
在着陆过程中，后隔热罩和底部隔热罩起到了隔热的作用。防热罩外的姿态控制喷管和平衡翼防止航天器轴向旋转，保证姿态稳定。为了进一步提高“天问一号”进入火星大气层的隔热可靠性，中国航天科工集团306研究所为探测器设计了一种新型隔热材料——纳米气凝胶，它被用于处理“极热”和“极冷”环境。与此同时，纳米气凝胶的超轻特性也大大减轻了火星车的负担，使其跑得更快更远。
此外，为了抵御火星大气层带来的不确定性风险，中国采用了一种独特的基于所谓平衡翼的弹道升力式大气层进入方案，这是人类首次运用于火星 探索 。这种方案在进入火星过程中减速时间长、过载小，同时还可以通过控制升力方向来提高探测器的着陆精度，也是未来火星采样、返回和载人火星着陆任务的理想进入方法。此前，“嫦娥五号”返回舱也使用同样的技术成功着陆地球。
与地球的大气相比，火星大气的一个重要区别是它的密度仅为地球大气的1%。为了在释放着陆器之前将探测器的速度降低到小于每秒100米的安全范围，除了火星大气和绝缘屏蔽之间的摩擦，探测器还需要降落伞的帮助。在地球上，由于大气密度高，探测器的速度通常会在降落伞展开之前降至音速以下。然而，火星稀薄的大气层使探测器不得不在超音速飞行期间打开降落伞及时减速。这给探测器的超音速降落伞系统提出了一个巨大的挑战，也是导致欧洲和俄罗斯火星探测计划一再推迟的一个关键因素。
早在2016年，中国航天 科技 集团公司508研究所就完成了超音速降落伞的风洞试验。在2018年,中国航天 科技 集团公司研制的新型“天鹰”系列探空火箭在新疆库尔勒发射场成功发射，成功完成火星探测器着陆的超音速降落伞技术试验，为3年后登陆火星奠定了又一技术基础。在超音速降落伞将探测器的速度从2马赫降到每秒95米之后，火星软着陆的最后一步任务落到了着陆器上。
与“毅力号”火星探测车的“天鹤”方案不同，“天问一号”采用的是反向推力悬停着陆方案。携带火星探测器的着陆平台将在接近地面时启动反向推力系统，使平台缓慢下降。在距离火星表面100米的地方，它进入了悬停阶段。在光学成像传感器等测量设备的帮助下，完成精确避障和缓慢下降后，在缓冲机构的保护下，探测器到达火星表面。这一过程的关键部件是“7500N可变推力发动机”。通过单个发动机的油门控制，着陆器可以实现一系列复杂的动作，如减速、悬停、避障和缓慢着陆。
我国的“7500N可变推力发动机”自2008年开始研制，先后完成了发动机的验证、设计、鉴定试验、工艺研究、高温试验。2013年，它首次被用于“嫦娥三号”。它帮助“嫦娥三号”以反向推力悬停模式成功着陆，使中国成为继前苏联和美国之后第三个成功实现月球软着陆的国家。依靠这一引擎，2018年的“嫦娥四号”使中国成为首个在月球背面软着陆的国家。2020年，“嫦娥五号”着陆器仍依靠“7500N可变推力发动机”的稳定性能，成功在月球表面着陆并携月土返回地球。
除了可变推力引擎，由于火星和地球之间的距离是数亿公里，探测器着陆所需的全自动着陆程序和自主避障能力也在“嫦娥三号”到“嫦娥五号”任务中得到验证。不难看出，嫦娥探测任务的技术经验为“天问一号”三大目标的成功增添了信心。
从载人航天，到嫦娥探月，再到祝融号火星探测器任务，中国国家航空航天局的科学家们正在一步一步地推进这些技术。特别是在前期预算紧张的情况下，仍在按照现有的项目规划和路线图，逐年突破关键技术，进行大量技术测试，稳步推进。早在2004年，中国的探月任务就设定了到2020年完成绕月、着陆和样本返回三个步骤的目标。2020年12月，“嫦娥五号”任务结束，圆满完成。此外，早在2000年，中国的空间站任务就制定了载人飞船发射、航天员太空行走、发射空间实验室和到2022年建成空间站的计划。
毫无例外，这些计划都是循序渐进的、稳定的和及时的。至于“天问一号”，它继承了中国航天计划的传统，尽管该项目于2016年正式成立，但直接或间接用于该项目的技术已经在中国国家航天局的太空 探索 中积累了十多年。基于这些技术，中国未来的太空计划，如超重型“长征九号”火箭、月球空间站、火星土壤采样和返回地球、 探索 太阳系边缘等，都吸引着太空迷们的关注。毕竟，在冷战结束后的一段时间里，人类 探索 太空的步伐已经略微放缓，而中国航天工程的快速发展也为全世界的太空 探索 注入了强大的动力，也许太空爱好者所期待的新一波太空 探索 才刚刚开始。
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