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答案

問(wèn)題一：為什么要著陸火星?

火星是地球的近鄰，與地球同為巖質(zhì)行星，元素組成和基本結(jié)構(gòu)與地球相似，它的成長(zhǎng)與演化歷史也揭示著地球的過(guò)去和未來(lái)?；鹦巧蠐碛锌諝?、水源和有機(jī)物存在的痕跡，個(gè)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(yuǎn)優(yōu)于另一個(gè)近鄰金星。

在具體探測(cè)技術(shù)方面，人類先后有過(guò)四大方案：“驚鴻一瞥”的飛掠，僅在探測(cè)早期技術(shù)不成熟無(wú)法入軌環(huán)繞火星、或兼職探測(cè)火星時(shí)使用;“登高望遠(yuǎn)”的環(huán)繞，通過(guò)穩(wěn)定環(huán)繞全方面探測(cè)火星總體情況，但無(wú)法看清細(xì)節(jié);“明察秋毫”的著陸，抵達(dá)火星表面近距離接觸，但僅能定點(diǎn)探測(cè);“自主移動(dòng)”的巡視，能在火星表面探測(cè)更大的范圍。

受限于所攜帶的電力和通信天線能力，著陸和巡視任務(wù)幾乎無(wú)法直接與地球通信，必須依賴環(huán)繞器的信號(hào)中繼服務(wù)。前往火星期間，它們也需要導(dǎo)航、通信、能量等服務(wù)。因此，環(huán)繞器是所有火星探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)。

2020年10月1日天問(wèn)一號(hào)分離測(cè)量傳感器完成的“深空自拍”(圖源：國(guó)家航天局)我國(guó)首次火星探測(cè)時(shí)，天問(wèn)一號(hào)僅在一次任務(wù)中就同時(shí)實(shí)現(xiàn)“環(huán)繞”、“著陸”和“巡視”三大目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星從天到地的立體觀測(cè)。其中，自由移動(dòng)的祝融號(hào)著陸火星后，能將火星表面各種細(xì)節(jié)直觀地全方位展現(xiàn)出來(lái)，這一成果的意義是不可取代的?？傮w上，近些年來(lái)人類探測(cè)火星的任務(wù)中，天問(wèn)一號(hào)可以說(shuō)是“復(fù)雜度之最”，這體現(xiàn)了中國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展帶來(lái)的巨大信心。

問(wèn)題二：為什么抵達(dá)火星后耐心等待了三個(gè)月才著陸?

一方面，環(huán)繞器的完全成功是探測(cè)火星的基本前提。在環(huán)繞器穩(wěn)定后再進(jìn)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(cuò)空間。另一方面，中國(guó)還缺乏對(duì)火星的全面了解，著陸區(qū)的實(shí)際地形地貌和氣象條件等都需要詳細(xì)勘察。因此，抵達(dá)火星后，需要花一定時(shí)間研究勘察。否則，貿(mào)然著陸的風(fēng)險(xiǎn)可想而知。

2021年2月10日19時(shí)52分，天問(wèn)一號(hào)環(huán)繞器攜帶著陸巡視組合體，成功切入環(huán)繞火星軌道并成為火星的一顆人造衛(wèi)星。隨后它們完成了三大步驟：

1.火星上空“側(cè)空翻”：2月15日，在遠(yuǎn)火點(diǎn)處將軌道調(diào)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(diǎn)則鎖定在烏托邦平原等低緯度區(qū)域，為后續(xù)科研和勘查做準(zhǔn)備。

2.進(jìn)入“停泊軌道”：2月24日，天問(wèn)一號(hào)成功調(diào)整到這條過(guò)渡軌道，距離火星更近、周期更短，每?jī)蓚€(gè)火星日環(huán)繞一周。在這條軌道穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)月期間，詳細(xì)勘察著陸區(qū)域。

天問(wèn)一號(hào)在停泊軌道運(yùn)行期間，發(fā)回了多批次天問(wèn)一號(hào)拍攝的高清圖像，有些成像區(qū)域內(nèi)火星表面小型環(huán)形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可見(圖源：國(guó)家航天局)3.各項(xiàng)儀器開機(jī)：天問(wèn)一號(hào)攜帶了13臺(tái)主要科學(xué)儀器，其中環(huán)繞器上有7臺(tái)，重點(diǎn)是在近火點(diǎn)時(shí)利用中分辨率相機(jī)和高分辨率相機(jī)等對(duì)火星表面高清成像。三個(gè)月時(shí)間的調(diào)試校正后，所有儀器系統(tǒng)都達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

問(wèn)題三：為什么著陸過(guò)程是“恐怖九分鐘”?

火星著陸持續(xù)時(shí)間受一系列因素影響，如沖入火星大氣的速度、角度、地點(diǎn)和時(shí)間，著陸地點(diǎn)的地形地貌特點(diǎn)(尤其是高度)，著陸期間的氣象條件，具體著陸技術(shù)方案和細(xì)節(jié)等，總體著陸時(shí)間在7-10分鐘不等。祝融號(hào)選擇的著陸區(qū)是高度較低的烏托邦平原，總著陸時(shí)間在9分鐘左右，也被叫做“恐怖九分鐘”。

這是因?yàn)椋夯鹦请m是近鄰，但與地球的距離在5500萬(wàn)千米到4億千米之間變化，遠(yuǎn)超月球。這不僅意味著一次火星探測(cè)任務(wù)動(dòng)輒需要飛行7-11個(gè)月，還意味著從地球上發(fā)出信號(hào)與火星通信，至少需要6-45分鐘的雙向通信時(shí)延?；鹦谴髿庀”?，引力較小，整體著陸過(guò)程僅持續(xù)數(shù)分鐘，期間根本不可能在地球上進(jìn)行控制，這個(gè)過(guò)程必須依靠著陸組合體獨(dú)立自主完成。

2000-2022年地球和火星距離變化，各火星探測(cè)任務(wù)在太空中飛行的時(shí)間區(qū)間此外，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(shí)際上，著陸火星的困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了月球。雖然大氣可以給著陸巡視組合體帶來(lái)一定的氣動(dòng)減速能力，但密度太低不可能減速到理想的著陸狀態(tài)，最后一定需要反沖火箭工作懸停降落。為應(yīng)對(duì)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(dòng)、隔熱、避震等防護(hù)結(jié)構(gòu)，重量、復(fù)雜度和成本等大幅度上升，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也大大增加了。

因此，當(dāng)?shù)厍蛏系暮教烊送ㄟ^(guò)精確計(jì)算得知祝融號(hào)正在火星獨(dú)立完成各項(xiàng)著陸操作、卻不得不耐心等待信號(hào)回傳時(shí)，這種焦急的體驗(yàn)不可謂不“恐怖”。

問(wèn)題四：著陸期間，祝融號(hào)到底經(jīng)歷了什么?

在最終確認(rèn)開始著陸指令后，著陸巡視組合體會(huì)與環(huán)繞器分離，開啟獨(dú)立著陸之旅。期間姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，嚴(yán)格控制著陸軌跡角度與方向。如果沖進(jìn)火星的角度過(guò)大就會(huì)超過(guò)隔熱層能忍受的極限，如果過(guò)小任務(wù)就會(huì)像打水漂一般滑入深空。

沖入火星大氣后，5千米/秒級(jí)別的速度依然導(dǎo)致稀薄的大氣沖擊和摩擦產(chǎn)生了巨大的震動(dòng)和熱量，足以融化大部分金屬。通過(guò)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。期間速度驟降到數(shù)百米/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(jīng)被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒(méi)有存在的必要了，對(duì)這一功臣的“回報(bào)”是：它將被拋離并直接脫落在火星表面。此時(shí)，暴露出來(lái)的底部雷達(dá)和工程相機(jī)等立即開始急速工作，緊盯目標(biāo)著陸區(qū)域，分析與預(yù)計(jì)的匹配程度，讓控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)快速解算最佳著陸方案。初步選定期間，速度已經(jīng)降至100米/秒以內(nèi)，降落傘功成身退，此時(shí)才是大戲上演的時(shí)刻。

各火星著陸任務(wù)初始階段流程接近，圖為毅力號(hào)火星車部分著陸流程示意(圖源：NASA)著陸巡視組合體依靠底部強(qiáng)大的反沖火箭工作開始減速，各種傳感器進(jìn)一步仔細(xì)檢查地面情況，避免亂石堆、斜坡、溝谷的特殊地貌，找尋最佳著陸角度和姿勢(shì)。隨著速度進(jìn)一步降低至懸停避障狀態(tài)，著陸巡視組合體近距離火星表面數(shù)米高。最后階段火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚(yáng)起沙塵等因素對(duì)它們的影響，著陸巡視組合體成功降落火星表面。

2019年11月14日，著陸巡視組合體懸停避障試驗(yàn)在河北懷來(lái)外天體著陸綜合試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，這也是祝融號(hào)首次公開亮相(圖源;央視新聞)眾多復(fù)雜的動(dòng)作，猶如在火星獨(dú)自“刀尖上起舞”，稍有不慎便會(huì)任務(wù)失敗，難度可想而知，了不起的成就!

問(wèn)題五：祝融號(hào)怎么獲取能量?

祝融號(hào)是天問(wèn)一號(hào)全程呵護(hù)的“掌上明珠”。在飛行、環(huán)繞和著陸期間，環(huán)繞器和著陸器全程為它保駕護(hù)航，提供重要的通信、能量和動(dòng)力服務(wù)。但是抵達(dá)火星表面后，著陸器將放出導(dǎo)軌，祝融號(hào)必須開機(jī)，在經(jīng)歷數(shù)天能量積累后，最終走出“溫室”、依靠自身能力獨(dú)立生存。

祝融號(hào)依靠太陽(yáng)能進(jìn)行工作。由于火星距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，這里的太陽(yáng)能密度僅為地球附近的4成左右，對(duì)太陽(yáng)能帆板收集能量的要求極高。它使用了4片巨大的由三結(jié)砷化鎵構(gòu)成的“蝴蝶型”太陽(yáng)能電池陣列，確保足夠能量供應(yīng)。同時(shí)，火星上動(dòng)輒有大規(guī)模的沙塵暴，會(huì)對(duì)太陽(yáng)能收集效率產(chǎn)生巨大影響，甚至直接影響火星車工作壽命。通過(guò)防塵涂層技術(shù)，祝融號(hào)表面的抗沙塵能力大幅提高。但對(duì)于曠日持久的全球沙塵暴，則只能是“我打不起，但躲得起”，進(jìn)入休眠狀態(tài)，先躲過(guò)“風(fēng)頭”再說(shuō)。

火星表面空氣極其稀薄，保溫效應(yīng)有限，直接導(dǎo)致晝夜溫差過(guò)大，白天可達(dá)20攝氏度、夜晚卻能低于零下100攝氏度，這對(duì)于不少儀器將是巨大挑戰(zhàn)。一方面，祝融號(hào)必須在夜晚“熄火”休眠;另一方面，它也采用了納米級(jí)氣凝膠和正十一烷集熱窗等溫控技術(shù)，確保安全無(wú)虞度過(guò)漫漫長(zhǎng)夜。

問(wèn)題六：祝融號(hào)怎么運(yùn)動(dòng)?

會(huì)動(dòng)，是火星車的核心功能。

但火星上并不是一片“坦途”，隨機(jī)出現(xiàn)的尖銳砂石會(huì)輕易破壞火星車的動(dòng)力系統(tǒng)，且這些傷害會(huì)逐漸累積，對(duì)火星車造成巨大威脅。例如“勇氣號(hào)”火星車2009年陷入沙坑，導(dǎo)致輪子出現(xiàn)故障，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，一直被困到任務(wù)結(jié)束。目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的“好奇號(hào)”火星車，可能導(dǎo)致任務(wù)終止的最大風(fēng)險(xiǎn)之一就是逐漸殘破的輪子。

好奇號(hào)破損的輪子顯示出火星表面“路況復(fù)雜”(圖源：NASA)祝融號(hào)的機(jī)身被設(shè)計(jì)成了可升降的主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，能夠自由轉(zhuǎn)向，六個(gè)輪子均獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，多輪懸空的條件下依然能自由移動(dòng)。在極端地形中，祝融號(hào)還能重新設(shè)計(jì)輪子驅(qū)動(dòng)方案以實(shí)現(xiàn)“蠕動(dòng)”、“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機(jī)械操作，成為一輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”，以提高駕駛安全性，可以說(shuō)這將成為祝融號(hào)在火星馳騁的 “風(fēng)火輪”。

著陸火星后的祝融號(hào)藝術(shù)效果圖(圖源：國(guó)家航天局)不過(guò)，祝融號(hào)的核心使命是科研，任何機(jī)動(dòng)性能都不如“行車交規(guī)”重要。首先，嚴(yán)格限速，節(jié)約寶貴的太陽(yáng)能。這個(gè)240千克的大家伙實(shí)際速度僅為厘米/秒級(jí)別，連烏龜都跑不過(guò);其次，謹(jǐn)小慎微，“走一步，歇兩步”，經(jīng)常停下來(lái)利用地形相機(jī)和避障相機(jī)等詳細(xì)“眼觀八方” ，確認(rèn)安全再出發(fā);再次，聚精會(huì)神。要么認(rèn)真行駛，要么停車讓科學(xué)儀器開啟工作，聚精會(huì)神，絕不“邊走邊玩”;最后，真的發(fā)生緊急情況陷入困境后，航天人也會(huì)在地球?qū)嶒?yàn)室利用火星車的“雙胞胎”備份還原真實(shí)火星駕駛場(chǎng)景，設(shè)計(jì)多種解決方案，幫助它脫困。

不存在絕對(duì)安全的車，只存在絕對(duì)安全的交規(guī)。“行車不規(guī)范，親人兩行淚”，即使在火星，祝融號(hào)也牢記交規(guī)。

問(wèn)題七：祝融號(hào)怎么與地球通信?

地火距離對(duì)于通信是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，信號(hào)衰減情況隨著距離增加迅速提升。一方面，在地球上需要建立巨大的深空通信天線網(wǎng)，以盡可能捕捉來(lái)自天問(wèn)一號(hào)的微弱信號(hào);另一方面，天問(wèn)一號(hào)的環(huán)繞器也要攜帶直徑達(dá)2.5米的高增益定向天線，盡力提高通信能力，與地球保持穩(wěn)定聯(lián)系。

服務(wù)于天問(wèn)一號(hào)的天線之一：位于天津武清的70米口徑全可動(dòng)天線，這是亞洲最大口徑同類天線，總面積比10個(gè)籃球場(chǎng)加一起還大(圖源：央視)然而，祝融號(hào)是不可能像環(huán)繞器一樣攜帶巨大的天線并提供足夠能量供應(yīng)的。同時(shí)，它還攜帶了6大核心科學(xué)儀器和工程相機(jī)等輔助系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量巨大，對(duì)通信資源要求很高。祝融號(hào)還時(shí)刻跟隨火星自轉(zhuǎn)，與地球溝通極為困難。

因此，祝融號(hào)通過(guò)環(huán)繞器實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將所有寶貴數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，環(huán)繞器飛臨祝融號(hào)上空時(shí)，祝融號(hào)將信號(hào)上傳并接收新指令，全程由環(huán)繞器直連地球。

問(wèn)題八：祝融號(hào)能進(jìn)行什么科研?

千言萬(wàn)語(yǔ)不如一張圖，“拍照”是祝融號(hào)最核心的科學(xué)研究目標(biāo)之一。例如，可拍攝火星高清廣角大圖的導(dǎo)航地形相機(jī)，能為我們帶來(lái)各種火星“華麗的荒涼”場(chǎng)景。通過(guò)多光譜相機(jī)，可以詳細(xì)分析地形、地貌和地質(zhì)的具體情況，巖石土壤光譜數(shù)據(jù)也能助力科學(xué)家研究火星表面演化的歷史和未來(lái)。

工作狀態(tài)的火星車藝術(shù)效果圖(圖源：中國(guó)航天局)表面成分探測(cè)儀也是個(gè)“黑科技”。微成像相機(jī)能將砂石放大到頭發(fā)絲般粗細(xì)的微米級(jí)，激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀更能在數(shù)米外用激光把巖石成分燒蝕成等離子體，同時(shí)利用有“遠(yuǎn)程顯微鏡”之稱的短波紅外光譜顯微成像儀進(jìn)行分析，大幅增加了祝融號(hào)的科研范圍和能力。這一幕，像不像科幻電影中外星人降臨利用激光武器“毀天滅地”的場(chǎng)景?

此外，通過(guò)次表層探測(cè)雷達(dá)，我們能利用“火眼金睛”一探火星土壤和淺層地下的結(jié)構(gòu)，找尋那里暗含的奧秘;火星沒(méi)有全球覆蓋的穩(wěn)定磁場(chǎng)，但表面卻存在支離破碎的偶極磁場(chǎng)，暗含著火星歷史演化的痕跡，這些需要表面磁場(chǎng)探測(cè)儀大展身手;而氣象測(cè)量?jī)x，則能為祝融提供各種氣象條件，讓我們了解這顆神秘行星的“呼吸脈絡(luò)”。

問(wèn)題九：祝融號(hào)著陸后，天問(wèn)一號(hào)在干什么?

祝融號(hào)工作期間，天問(wèn)一號(hào)的環(huán)繞器會(huì)一直緊張忙碌為它服務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)各種科研數(shù)據(jù)回歸地球，同時(shí)向它轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自地球的指令。

但環(huán)繞器本身也是個(gè)超級(jí)科研平臺(tái)，它攜帶了7項(xiàng)儀器。由于環(huán)繞器飛行在距離火星最近200余千米、最遠(yuǎn)12000余千米的大橢圓軌道，它們能在多種軌道高度對(duì)火星進(jìn)行整體性、全球性、綜合性研究。

靠近火星階段(距離火星約220萬(wàn)千米)，天問(wèn)一號(hào)的環(huán)繞器就已經(jīng)拍下了火星的美圖(圖片來(lái)源：國(guó)家航天局)環(huán)繞器帶有中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測(cè)雷達(dá)、礦物光譜分析儀、磁強(qiáng)計(jì)、離子與中性粒子分析儀、能量粒子分析儀等的超強(qiáng)組合。火星大氣電離層怎么樣?火星周邊太陽(yáng)風(fēng)等行星際環(huán)境如何?火星表面和地下的水冰在哪里?火星的土壤類型怎么樣、怎么分布?火星的地形地貌有多壯觀?它們?nèi)绾巫兓?火星表面礦物和物質(zhì)成分情況如何，哪里會(huì)有“寶藏”?火星的過(guò)去和未來(lái)到底怎么樣?有沒(méi)有可能存在生命?有太多的感興趣話題，都需要等待環(huán)繞器集中解答。

問(wèn)題十：天問(wèn)一號(hào)對(duì)中國(guó)和世界航天有什么意義?

探測(cè)火星從來(lái)都不是一件容易的事情，幾千年來(lái)，中國(guó)文化一直用“熒惑”來(lái)描述對(duì)它的未知，西方文化也把它想象成了象征著災(zāi)禍的戰(zhàn)神(Mars/馬爾斯)。人類進(jìn)入航天時(shí)代后，對(duì)火星的探測(cè)掀起一波又一波浪潮，但也面臨著極為殘酷的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)60年代，開局就是6次慘烈的失敗，直到今天總成功率也僅為一半左右，無(wú)論成功與否，每一個(gè)任務(wù)都造價(jià)不菲。

天問(wèn)一號(hào)探測(cè)火星，祝融號(hào)著陸火星，不僅是中國(guó)航天工程任務(wù)難度的新突破，更是我國(guó)在行星科學(xué)領(lǐng)域的史無(wú)前例突破。天問(wèn)一號(hào)的五大科學(xué)目標(biāo)將為我國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域打下重要的基礎(chǔ)，同時(shí)，也給世界帶來(lái)了對(duì)火星研究的豐富補(bǔ)充。宇宙是個(gè)聯(lián)系的整體，通過(guò)洞察這顆行星的奧秘，我們也能一探地球的過(guò)去和未來(lái)，邁向更遠(yuǎn)的星辰大海。