祝融探火十問

毛新愿

2021年5月15日，在經歷了296天的太空之旅后，天問一號火星探測器所攜帶的祝融號火星車及其著陸組合體，成功降落在火星北半球的烏托邦平原南部。中國由此成為繼蘇聯、美國之后，第三個真正“踏上”（成功著陸）火星的國家，也是首次火星探測即實現成功著陸的國家。

5月19日，國家航天局發布了祝融號拍攝的第一批火星影像。圖像中，著陸平臺和駛離坡道、太陽翼、天線等機構展開正常到位。5月22日10時40分，遙感數據顯示祝融號火星車已安全駛離著陸平臺，到達火星表面。火星車開始進行巡視探測，通過配置的導航地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀等6臺載荷，對巡視區開展詳細探測。這是一個歷史性成就，意味著我國首次火星探測任務挑戰“繞、著、巡”三大工程目標，基本取得了成功。隨著研究數據和成果不斷積累，五大科學研究目標也正在進展中。

在中國神話體系中，祝融是為華夏民族傳下火種的創世祖神之一，教古人學會了用火。中華文化源遠流長，這個充滿文化色彩的稱號，在全網投票中脫穎而出，成為中國首個火星車的大名。關于祝融號，大家是不是存有許多疑問？本文就帶你詳細解讀祝融號的探火之旅和它對中國乃至世界航天的意義。

一、為什么說天問一號火星探測任務是“復雜度之最”

人類探索火星60年，先后有過四大方案：“驚鴻一瞥”的飛掠，僅在探測早期技術不成熟無法入軌環繞火星或兼職探測火星時使用；“登高望遠”的環繞，可通過穩定環繞全方面探測火星總體情況，但無法看清細節；“明察秋毫”的著陸，能近距離接觸火星表面，但僅能定點探測；“自主移動”的巡視，能在火星表面探測更大的范圍，但巡視器必須依托于環繞器和著陸器/著陸系統的幫助才能抵達火星表面順利工作。可以說，巡視任務需要大量的火星研究基礎，工程方面和科學方面要求極高，代表著火星探測的最高難度。

一般情況下，會分開執行環繞、著陸、巡視任務，一步一個腳印，前一步為后一步積累基礎。即使這樣，人類探測火星的成功率也僅有50%左右。

在我國首次火星探測任務中，天問一號把環繞、著陸和巡視三大目標一步到位地同時實現了，非常了不起，困難程度也不言而喻。要知道，祝融號火星車重達240千克，可不是一個小家伙。總體上，近些年來人類探測火星的任務中，天問一號可以說是“復雜度之最”，這體現了中國航天事業快速發展帶來的巨大信心。

二、天問一號抵達火星后為何等了3個月才著陸

一方面，環繞器的完全成功是探測火星的基本前提。在環繞器穩定后再進行著陸操作，可以為著陸巡視組合體提供更大的選擇余地和容錯空間。另一方面，我國還缺乏對火星的全面了解，著陸區的實際地形地貌和氣象條件等都需要詳細勘察。因此，抵達火星后，需要花一定時間研究勘察，不能冒著風險貿然著陸。

2021年2月10日19時52分，天問一號環繞器攜帶著陸巡視組合體，成功切入環繞火星軌道并成為火星的一顆人造衛星，隨后完成了三大步驟。

1.火星上空“側空翻”。2月15日，在遠火點處將軌道調整為能覆蓋火星全球的極地軌道，從靠近赤道的“橫著飛”變成“縱向飛”，視野大大增加。近火點則鎖定在烏托邦平原等低緯度區域，為后續科研和勘察做準備。

2.進入停泊軌道。2月24日，天問一號成功調整到這條過渡軌道，距離火星更近、周期更短，每兩個火星日環繞一周。在這條軌道穩定運行3個月左右時間，詳細勘察著陸區域。

3.各項儀器開機。天問一號攜帶了13臺主要科學儀器，其中環繞器上有7臺，重點是在近火點時利用中分辨率相機和高分辨率相機等對火星表面高清成像。3個月時間的調試校正后，所有儀器系統都達到了最佳工作狀態。

三、為什么說著陸過程是“恐怖九分鐘”

火星探測器著陸過程持續時間受一系列因素影響，如沖入火星大氣的速度、角度、地點和時間，著陸地點的地形地貌特點（尤其是高度），著陸期間的氣象條件，具體著陸技術方案和細節等，總體著陸時間在7～10分鐘不等。祝融號選擇的著陸區是高度較低的烏托邦平原，總著陸時間在9分鐘左右。

之所以被稱為“恐怖九分鐘”，是因為火星與地球的距離在5500萬千米到4億千米之間變化，遠超月球。這不僅意味著一次火星探測任務動輒需要飛行7～11個月，還意味著從地球上發出信號與火星通信，至少需要6～45分鐘的雙向通信時延。火星大氣稀薄，引力較小，整體著陸過程僅持續數分鐘，其間根本不可能從地球上對其進行控制，這個過程必須依靠著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，但這并不意味著著陸火星難度低。實際上，著陸火星的困難程度遠遠超過了月球。雖然大氣可以給著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著陸狀態，最后一定需要反沖火箭工作懸停降落。為應對不可避免的大氣沖擊、摩擦和積累的熱量，著陸巡視組合體還必須增加氣動、隔熱、避震等防護結構，重量、復雜度和成本等大幅度上升，風險系數也大大增加了。

最后，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著陸操作卻不得不耐心等待信號回傳時，這種焦急的體驗不可謂不“恐怖”。

四、著陸期間，祝融號到底經歷了什么

開始著陸后，著陸巡視組合體會與環繞器分離，開啟獨立著陸之旅。其間姿態控制發動機工作，嚴格控制著陸軌跡角度與方向。如果沖進火星的角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果角度過小則會像打水漂一般滑入深空。

著陸巡視組合體以5千米每秒級別的速度沖入火星大氣后，依然會與稀薄的大氣沖擊和摩擦產生巨大的熱量，足以熔化大部分金屬。通過隔熱大底和多種散熱手段，著陸巡視組合體的溫度依然能保持常溫。其間速度驟降到數百米每秒，巨大的降落傘在火星上空約10千米的高度打開。

隨著速度的迅速降低，已經被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒有存在的必要了，于是這一“功臣”便被拋離并直接脫落在火星表面。暴露出來的底部雷達和工程相機等立即開始急速工作，緊盯目標著陸區域，分析實際與預計的匹配程度，讓導航控制計算機快速解算最佳著陸方案。此時，速度已經降至100米每秒以內，降落傘功成身退，真正的大戲開始上演。

著陸巡視組合體依靠底部強大的反沖火箭進行減速，各種傳感器進一步仔細檢查地面情況，躲避亂石堆、斜坡、溝谷等特殊地貌，找尋最佳著陸角度和姿勢。隨著速度進一步降低至懸停避障狀態，著陸巡視組合體距離火星表面數米高。最后階段，火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚起沙塵的情況發生，著陸巡視組合體成功降落火星表面。

眾多復雜的動作猶如在“刀尖上起舞”，稍有不慎便會導致任務失敗，難度可想而知。

五、祝融號怎么獲取能量

祝融號火星車是天問一號全程呵護的“掌上明珠”。在飛行、環繞和著陸期間，環繞器和著陸器全程為它保駕護航，提供重要的通信、能量和動力服務。但是抵達火星表面后，著陸器將放出導軌，祝融號必須開機，在經歷數天能量積累后，最終走出“溫室”，依靠自身能力獨立生存和工作。

祝融號依靠太陽能進行工作。由于火星距離太陽更遠，這里的太陽能密度僅為地球附近的四成左右，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“蝴蝶形”太陽能電池陣列，確保足夠的能量供應。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的工作壽命。通過防塵涂層技術，祝融號表面的抗沙塵能力大幅提高。但對于曠日持久的全球沙塵暴，它只能是“打不起，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℃，夜晚卻能低于零下100℃，這對于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，它采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。

六、祝融號怎么運動

會動，是火星車的核心功能。但火星上并不是一片“坦途”，隨機出現的尖銳砂石會輕易破壞火星車的動力系統，且這些傷害會逐漸累積，對火星車造成巨大威脅。例如美國的勇氣號火星車2009年陷入沙坑，導致輪子出現故障，無法轉動，一直被困到任務結束。目前正在運轉的好奇號火星車，可能導致任務終止的最大風險之一就是逐漸殘破的輪子。

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”等復雜機械操作，成為一輛不折不扣的“火星六驅越野車”。

不過，祝融號的核心使命是科研，任何機動性能都不如“行車規范”重要。首先，嚴格限速，節約寶貴的太陽能。這個240千克的大家伙實際速度僅為厘米每秒級別，連烏龜都跑不過。其次，謹小慎微，“走一步，歇兩步”。需要經常停下來利用地形相機和避障相機等“眼觀八方”，確認安全再出發。再次，聚精會神。要么認真行駛，要么停車讓科學儀器開啟工作，絕不“邊走邊玩”。最后，真的發生緊急情況陷入困境后，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。

正所謂“行車不規范，親人兩行淚”，即使在火星，祝融號也要牢記行車規范。

七、祝融號怎么與地球通信