天問一號｜詳解着陸時間過程　一文睇清中國火星探測任務十大疑問

國家航天局發布消息，搭載祝融號火星車的天問一號着陸器在周六（15日）早上確認成功降落火星，着陸地點位於火星北半球的烏托邦平原。
中國科學院公眾號「中科院中國科普博覽」發文，解答與中國火星探測任務有關的十大疑問，包括着陸火星的原因、為何天問一號抵達火星後要耐心等待三個月才着陸等。

問題一：為甚麼要着陸火星？

火星是地球的近鄰，與地球同為岩質行星，元素組成和基本結構與地球相似，它的成長與演化歷史也揭示着地球的過去和未來。火星上擁有空氣、水源和有機物存在的痕跡，個頭雖小表面積卻與地球的總陸地面積接近，各方面條件都遠優於另一個近鄰金星。

問題二：為甚麼抵達火星後耐心等待了三個月才着陸？

一方面，環繞器的完全成功是探測火星的基本前提。在環繞器穩定後再進行着陸操作，可以為着陸巡視組合體提供更大的選擇餘地和容錯空間。另一方面，中國還缺乏對火星的全面了解，着陸區的實際地形地貌和氣象條件等都需要詳細勘察。因此，抵達火星後，需要花一定時間研究勘察。否則，貿然着陸的風險可想而知。

2021年2月10日19時52分，天問一號環繞器攜帶着陸巡視組合體，成功切入環繞火星軌道並成為火星的一顆人造衛星。三個月時間的調試校正後，所有儀器系統都達到最佳工作狀態。

問題三：為甚麼着陸過程是「恐怖九分鐘」？

火星着陸持續時間受一系列因素影響，如衝入火星大氣的速度、角度、地點和時間，着陸地點的地形地貌特點（尤其是高度），着陸期間的氣象條件，具體着陸技術方案和細節等，總體着陸時間在7-10分鐘不等。祝融號選擇的着陸區是高度較低的烏托邦平原，總着陸時間在9分鐘左右，也被叫做「恐怖九分鐘」。

這是因為：火星雖是近鄰，但與地球的距離在5500萬千米到4億千米之間變化，遠超月球。這不僅意味着一次火星探測任務動輒需要飛行7-11個月，還意味着從地球上發出訊號與火星通訊，至少需要6-45分鐘的雙向通訊時延。火星大氣稀薄，引力較小，整體着陸過程僅持續數分鐘，期間根本不可能在地球上進行控制，這個過程必須依靠着陸組合體獨立自主完成。

此外，火星半徑為3400千米左右，約為地球的一半，表面引力約為地球的38%，表面空氣密度不足地球海平面的1%水平，但這並不意味着陸火星難度低。實際上，着陸火星的困難程度遠遠超過了月球。雖然大氣可以給着陸巡視組合體帶來一定的氣動減速能力，但密度太低不可能減速到理想的着陸狀態，最後一定需要反衝火箭工作懸停降落。為應對不可避免的大氣衝擊、摩擦和積累的熱量，着陸巡視組合體還必須增加氣動、隔熱、避震等防護結構，重量、複雜度和成本等大幅度上升，風險系數也大大增加了。

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因此，當地球上的航天人通過精確計算得知祝融號正在火星獨立完成各項着陸操作、卻不得不耐心等待訊號回傳時，這種焦急的體驗不可謂不「恐怖」。

問題四：着陸期間，祝融號到底經歷了甚麼？

在最終確認開始着陸指令後，着陸巡視組合體會與環繞器分離，開啟獨立着陸之旅。期間姿態控制引擎工作，嚴格控制着陸軌跡角度與方向。如果衝進火星的角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果過小任務就會像打水漂一般滑入深空。

衝入火星大氣後，5千米／秒級別的速度依然導致稀薄的大氣衝擊和摩擦產生了巨大的震動和熱量，足以融化大部分金屬。通過隔熱大底和多種散熱手段，着陸巡視組合體的溫度依然能保持常溫。期間速度驟降到數百米／秒，巨大的降落傘在火星上空約10千米的高度打開。

隨着速度的迅速降低，已經被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒有存在的必要了，對這一功臣的「回報」是：它將被拋離並直接脫落在火星表面。此時，暴露出來的底部雷達和工程相機等立即開始急速工作，緊盯目標着陸區域，分析與預計的匹配程度，讓控制導航電腦快速解算最佳着陸方案。初步選定期間，速度已經降至100米／秒以內，降落傘功成身退。

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着陸巡視組合體依靠底部強大的反衝火箭工作開始減速，各種傳感器進一步仔細檢查地面情況，避免亂石堆、斜坡、溝谷的特殊地貌，找尋最佳着陸角度和姿勢。隨着速度進一步降低至懸停避障狀態，着陸巡視組合體近距離火星表面數米高。最後階段火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚起沙塵等因素對它們的影響，着陸巡視組合體成功降落火星表面。

問題五：祝融號怎麼獲取能量？

在飛行、環繞和着陸期間，環繞器和着陸器全程為祝融號保駕護航，提供重要的通訊、能量和動力服務。但是抵達火星表面後，着陸器將放出導軌，祝融號必須開機，在經歷數天能量積累後，最終走出「溫室」、依靠自身能力獨立生存。

祝融號依靠太陽能進行工作。由於火星距離太陽更遠，這裡的太陽能密度僅為地球附近的4成左右，對太陽能帆板收集能量的要求極高。它使用了4片巨大的由三結砷化鎵構成的「蝴蝶型」太陽能電池陣列，確保足夠能量供應。同時，火星上動輒有大規模的沙塵暴，會對太陽能收集效率產生巨大影響，甚至直接影響火星車工作壽命。通過防塵塗層技術，祝融號表面的抗沙塵能力大幅提高。但對於曠日持久的全球沙塵暴，則只能是「我打不起，但躲得起」，進入休眠狀態，先躲過「風頭」再說。

火星表面空氣極其稀薄，保溫效應有限，直接導致晝夜溫差過大，白天可達20攝氏度、夜晚卻能低於零下100攝氏度，這對於不少儀器將是巨大挑戰。一方面，祝融號必須在夜晚「熄火」休眠；另一方面，它也採用了納米級氣凝膠和正十一烷集熱窗等溫控技術，確保安全無虞度過漫漫長夜。

問題六：祝融號怎麼運動？

祝融號的機身被設計成了可升降的主動懸架結構，能夠自由轉向，6個輪子均獨立驅動，多輪懸空的條件下依然能自由移動。在極端地形中，祝融號還能重新設計輪子驅動方案以實現「蠕動」、「蟹行」和「踮腳」等複雜機械操作，成為一輛不折不扣的「火星六驅越野車」，以提高駕駛安全性，可以說這將成為祝融號在火星馳騁的 「風火輪」。

不過，祝融號的核心使命是科研，任何機動性能都不如「行車交規」重要。首先，嚴格限速，節約寶貴的太陽能。祝融號實際速度僅為厘米／秒級別，連烏龜都跑不過；其次，謹小慎微，「走一步，歇兩步」，經常停下來利用地形相機和避障相機等詳細「眼觀八方」 ，確認安全再出發；再次，聚精會神，要麼認真行駛，要麼停車讓科學儀器開啟工作；最後，真的發生緊急情況陷入困境後，航天人也會在地球實驗室利用火星車的「雙胞胎」備份還原真實火星駕駛場景，設計多種解決方案，幫助它脫困。

問題七：祝融號怎麼與地球通訊？

地火距離對於通訊是個巨大的挑戰，訊號衰減情況隨着距離增加迅速提升。一方面，在地球上需要建立巨大的深空通訊天線網，以盡可能捕捉來自天問一號的微弱訊號；另一方面，天問一號的環繞器也要攜帶直徑達2.5米的高增益定向天線，盡力提高通訊能力，與地球保持穩定聯繫。

然而，祝融號是不可能像環繞器一樣攜帶巨大的天線並提供足夠能量供應的。同時，它還攜帶了6大核心科學儀器和工程相機等輔助系統，數據量巨大，對通訊資源要求很高。祝融號還時刻跟隨火星自轉，與地球溝通極為困難。

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因此，祝融號通過環繞器實現訊號中繼。在正常運轉時將所有寶貴數據儲存起來，環繞器飛臨祝融號上空時，祝融號將訊號上傳並接收新指令，全程由環繞器直連地球。

問題八：祝融號能進行甚麼科研？

「拍照」是祝融號最核心的科學研究目標之一。例如，可拍攝火星高清廣角大圖的導航地形相機。通過多光譜相機，可以詳細分析地形、地貌和地質的具體情況，岩石土壤光譜數據也能助力科學家研究火星表面演化的歷史和未來。

表面成分探測儀也是個「黑科技」。微成像相機能將砂石放大到頭發絲般粗細的微米級，激光誘導擊穿光譜儀更能在數米外用激光把岩石成分燒蝕成等離子體，同時利用有「遠程顯微鏡」之稱的短波紅外光譜顯微成像儀進行分析，大幅增加了祝融號的科研範圍和能力。

此外，通過次表層探測雷達，能一探火星土壤和淺層地下的結構。火星沒有全球覆蓋的穩定磁場，但表面卻存在支離破碎的偶極磁場，暗含火星歷史演化的痕跡，這些需要表面磁場探測儀；而氣象測量儀，則能為祝融提供各種氣象條件，以了解火星的「呼吸脈絡」。

問題九：祝融號着陸後，天問一號在幹甚麼？

祝融號工作期間，天問一號的環繞器會一直緊張忙碌為它服務，轉發各種科研數據回歸地球，同時向它轉發來自地球的指令。

但環繞器本身也是個超級科研平台，它攜帶了7項儀器。由於環繞器飛行在距離火星最近200餘千米、最遠12000餘千米的大橢圓軌道，它們能在多種軌道高度對火星進行整體性、全球性、綜合性研究。

環繞器帶有中分辨率相機、高分辨率相機、次表層探測雷達、礦物光譜分析儀、磁強計、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀等的超強組合。火星大氣電離層怎麼樣？火星周邊太陽風等行星際環境如何？火星表面和地下的水冰在哪裡？火星的土壤類型怎麼樣、怎麼分布？火星的地形地貌有多壯觀？它們如何變化？火星表面礦物和物質成分情況如何，哪裡會有「寶藏」？火星的過去和未來到底怎麼樣？有沒有可能存在生命？有太多的感興趣話題，都需要等待環繞器集中解答。

問題十：天問一號對中國和世界航天有甚麼意義？

天問一號探測火星，祝融號着陸火星，不僅是中國航天工程任務難度的新突破，更是中國在行星科學領域的史無前例突破。天問一號的五大科學目標將為中國深空探測領域打下重要的基礎，同時，也給世界帶來了對火星研究的豐富補充。宇宙是個聯繫的整體，通過洞察火星的奧秘，也能一探地球的過去和未來。

（綜合報道）