撰文 | 石萌  周继时 戚铁磊

哈喽，小伙伴儿们，

到了我们天问一号着陆火星的“大日子”。

前期“追番”追了这么久，

终于等到了“亲密接触”的一天了，

是不是还有点小激动呢？

在这关键的时刻，

没点儿知识储备怎么能行？

今天我们就一起来学习，

天问一号着陆火星的几个核心知识点吧，

敲黑板，涨姿势啦!

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。

目前全世界已进行的

21次火星着陆任务中，

只有9次成功。

之所以难度这么大，

是因为地球和火星之间距离遥远，

无线电信号单程时延

最长可达20分钟左右。

对于近地轨道航天器，

工程师们可以在地面

实时监视、实时控制。

一旦出现紧急情况可以及时“抢救”，

而对于火星探测，

航天器以什么姿态飞行，

什么时间点火、工作多长、什么时候关机，

出现问题如何处置，

都需要探测器“自行安排”。

当然，最核心、最关键的是

火星大气影响。

地球上我们可以通过天气预报知道，

明天是刮风、下雨、打雷还是晴天。

随时精确测出

大气温度、湿度、风速等。

而在火星上，我们没办法预报天气，

也不能准确知道火星即时的

大气密度、气压、风速等关键信息，

而这些参数却直接影响着陆的成败。

火星全球性的沙尘暴基本每年都有，

持续时间能达几个月。

火星大气密度、大气风场等，

随季节、地理位置、着陆时间等变化。

一头扎进不可确知的大气环境，

是一半以上着陆任务失败的主要原因。

接下来我们就分别看看EDL三个过程中，

天问一号是怎样闯关的吧。

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。

讲到这里，

进入段的工作已经基本完成，

我们的探测器

已经闯过了最初“进入段”，

接下来就是降落伞准备出场减速了。

我们一起来解锁着陆技能吧~

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

Wuhu~火星，我们来啦。

小伙伴们也许会问，

为什么落火需要

这么复杂又惊险的过程呢？

我们前期在探月工程中已经积累了

很多再入经验，

是名副其实的“老司机”了，

为何采用这套

复杂又危险的组合动作呢？

这时候就要好好讲一讲区别了，

火星不同于月球，

月表大气十分稀薄，

几乎可以忽略不计，

而火星表面则是

包围着“扎实”的大气层。

这一方面对

航天器进入加设了“关卡”，

另一方面也

提供了“先天”的减速措施，

可以“帮助”航天器在进入段依靠气动力

完成主要减速过程。

大气带来的“先天”减速优势，

如果换算成燃料效能如何呢？

我们可以对照探月任务算一笔账，

着陆月球要求从15km高度

减速1.7km/s至月面，

而着陆火星是要求从125km高度

减速4.8km/s到达火星表面。

如果还是按照

仅靠消耗燃料的减速方案，

火星探测器要携带的燃料重量

将远远超过探测器本身重量，

所以着陆火星所经历的层层闯关，

也算是天问的“刚需”了。

讲到这里，

本阶段科普时间

就可以告一段落了

是不是对我们的火星探测

更加憧憬与期待了呢？

这次火星车所用到的黑科技

还远远不止这些。

让我们一起期待

祝融号在火星的表现吧。

解锁更多航天知识，

还请继续关注中国探月工程。

下一次，我们火星见啦~

注：参考文献为《航天器进入下降与着陆技术》（叶培建主编）

制版编辑 | Morgan