本报记者 杨频萍
5月15日，中国首枚火星探测器“天问一号”成功着陆火星北半球的乌托邦平原，将带领“祝融”号火星车展开火星探测之旅。我国成为继美国之后，世界上第二个成功将火星车降落在火星表面的国家。
中国火星探测任务最核心、难度最大的地方，就是在着陆器进入火星大气后降落伞减速的过程，这个过程只有一次机会。“认识一个新的事物就是试错的过程，航天却不会给你很多机会去试错。”“天问一号”探测器总设计师孙泽洲曾坦言。落火成功的过程中，“天问一号”除了经受住“恐怖9分钟”的考验，还有着怎样的“奋斗史”？
“落火”前近10个月的太空“长征”
“天问一号”的发射，要追溯到2020年7月23日12时41分，我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，用长征五号遥四运载火箭将“天问一号”探测器发射升空，飞行2000多秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了自主开展行星探测的第一步。
为什么“探火”足足飞了10个月？“地火”距离之远是其一。南京航空航天大学航空学院教授闻新说，和月球与地球相隔38万千米的距离相比，火星与地球最近时的距离也要5500万千米，这是地月距离的一百多倍。“如果用飞行时长来算的话，我们飞到月球需要2-3天；而即便是最佳飞行，从地球飞到火星也需要大半年。”
由于地球和火星同时环绕太阳运行，所以从地球到火星不能直线飞。闻新告诉记者，从地球到火星，直观上看怎么走都可以，但为了节约成本，目前火星探测器大多都是按照“霍曼转移轨道”飞行，这种变换轨道的方式最省钱，但其中也涉及更多次数、更高精度的轨道修正。
从地球飞往火星的遥远旅途中，探测器还需经历三个引力场的干扰，它首先脱离地心引力，离开地球进入环绕太阳运行的轨道，此时的探测器将以太阳为近焦点做椭圆轨道运动，接着进入火星的轨道，即进入火星引力场被火星捕获。
“天问一号”探测器总重约5吨，由轨道飞行器、着陆器和火星漫游车组成。根据预定的计划，探测器在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，并择机开展着陆、巡视等任务，进行火星科学探测。“天问一号”在距离火星约220万公里处，还获取了我国首幅火星图像。
根据国家航天局公开的信息，在飞行工作了9天17个小时，距离地球超过300万公里后，“天问一号”于2020年8月2日7时整顺利完成了第一次的轨道中途修正，继续飞向火星。此后，“天问一号”又陆续进行了三次轨道中途修正，才有了如今“进轨”火星的顺利进行。
为什么要进行中途修正？国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言介绍，在地火转移轨道飞行过程中，探测器会受到入轨偏差、控制精度偏差等因素影响。由于探测器长时间处于无动力飞行，微小的位置速度误差会逐渐累积和放大。
因此，执行飞行任务时，科研人员需要根据测控系统测定的探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差，完成对应的探测器姿态和轨道控制，确保探测器始终飞行在预定的轨道上。中途轨道修正的关键在于修正时机的选择以及每次修正的实施精度。
今年除夕，“天问一号”“踩”了一脚“刹车”，进行近火制动，开启了环绕火星之旅。闻新教授告诉记者，这一脚“刹车”事关探测器“生死”。
“天问一号”越来越靠近火星，飞行的速度就更“讲究”，再也不能是“埋头苦飞”的状态。“与月球不同的是，火星还存有稀薄的大气，这会让飞船面临巨大的阻力。‘天问一号’只有顺利被火星引力所捕获，进入环绕轨道，才能为后续的着陆火星打下基础。”如果还是原来“可劲儿飞”的状态，“天问一号”搞不好会出现飞离火星的情况。但需要注意的是，如果这脚“刹车”踩狠了也不行，探测器制动的点火时间过长，会导致速度下降过多，到那时，便会有一头撞上火星的情况发生。
通信延时10分钟，靠地面指令“不可能”
地球和火星之间距离太远，“天问一号”路途漫漫十个月，其间一直又处于高速飞行状态;而它的着陆过程又太短暂，不过9分钟，就要逐步将速度从每秒4.8千米降至0——这一巨大反差，无疑加剧了任务的艰难程度，也被称为航天器的“恐怖9分钟”。
此前全世界已进行的21次火星着陆任务中，只有9次成功。曾有科学家形象地比喻，探测器进入火星轨道的难度，相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样。许多火星探测器都在这一阶段功亏一篑。
“之所以叫‘恐怖9分钟’，是因为整个过程‘天问一号’都需要自主控制，由于地球和火星距离遥远，5月期间的通信时延为10分钟以上。也就是说从地面发出一条指令，‘天问一号’要到10分钟后才能收到，靠地面给出指令根本不可能。”闻新表示。此时，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，人工无法直接干预，都需要探测器“自行安排”。
由于火星大气非常稀薄，进入火星时要求探测器的气动外形具备高效的减速性能，同时需要更轻量化的防热材料，做足装备的准备。
微博“‘天问一号’火星车祝融”对于自己着陆火星的难度有着拟人化的描述：登陆火星最大的难点在于全自动软着陆，着陆过程中没有地面信号，跟地球完全“失联”，要依靠我自己完成。根据历史数据，我进入大气时的速度约4.9km/s，最高温度达2100℃。接下来9分钟内我要降速90%，然后启动变推发动机，开始动力下降。最终在抵达火星表面100米的高度完成悬停动作，此时我垂直下落的速度应该为0。然后进入平移阶段，观察一下再确定着陆位置。整个过程，我必须冷静专注，随机应变，不能慌张！
去年在南京航空航天大学的讲座中，孙泽洲也曾经表示，探测器自主、智能地完成工作，进行故障隔离和重构，进而完成既定的任务，这也是未来深空探测器很重要的技术发展方向。
根据公开发布的信息，15日凌晨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。4时许，着陆巡视器与环绕器“告别”。火星探测器整个降落过程大致分为进入—减速—软着陆三步，简称为 EDL（Entry，Descent，Landing），过程十分复杂。
“这个过程需要融合气动外形、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。每个环节都必须精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。”孙泽洲介绍说。
早在EDL前，“天问一号”在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测，对着陆地区的地貌和气象先进行了一波“摸底”评估；同时，火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术，以确保安全着陆。这一次，我国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，对环境的不确定性适应得更好，鲁棒性更强。
遇到强烈沙尘暴，“祝融”将自我休眠
“天问一号”在火星的着陆地点，是火星最大的平原——乌托邦平原。除了名字好听之外，乌托邦平原作为适合着陆的地点，还有着多重原因：首先是因为工程风险低。火星南北半球的地形地貌、地质构造等差异巨大——火星南部为古老高地，坑多，60%的面积遍布陨石坑；而乌托邦平原所在的火星北部，是被火星熔岩填平的低矮平原，地形平缓，陨石坑较少，且地质年龄较轻，地壳较薄。
不仅如此，乌托邦平原有着很高的科学价值。长期以来，人们最关注的是火星上是否存在生命。科研人员分析，乌托邦平原很可能是远古火星海洋的所在地，“天问一号”着陆的地点在古海洋和古陆地的交界处。最新的科学探测发现，在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方，存在大量地下水冰，储水量相当于地球上面积最大的淡水湖。想知道火星上到底有没有生命，乌托邦平原是一个绝佳的探测点。
“天问一号”成功登陆火星后，我国第一辆火星车“祝融号”即将登场。在着陆巡视器内，“祝融号”将带着多光谱相机、次表层探测雷达、星表成分探测仪、星表磁场探测仪、星象测量仪、地形相机6台科学载荷，经过短暂调整后，从着陆器中滑出，出舱并开展巡视探测工作。
火星上风速可达每秒180米，几乎是地球上特大台风风速的3倍还多。沙尘滚滚、遮天蔽日的恶劣天气下，“祝融号”必须是一台超强高能的“越野”车。
孙泽洲介绍，火星车的自主能力要求很高，还有更多自主检测能力。遇到大的沙尘暴，火星车会自主断电休眠，以保护自身仪器设备免受恶劣天气的损害。等到太阳再次升起，火星车自主唤醒，重新开始工作。
按照计划，90个火星日后，“祝融号”火星车将结束巡视探测工作，环绕器也将进行轨道调整，从而开展环绕科学探测。
