祝融探火十问

毛新愿

2021年5月15日，在经历了296天的太空之旅后，天问一号火星探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体，成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部。中国由此成为继苏联、美国之后，第三个真正“踏上”（成功着陆）火星的国家，也是首次火星探测即实现成功着陆的国家。

5月19日，国家航天局发布了祝融号拍摄的第一批火星影像。图像中，着陆平台和驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位。5月22日10时40分，遥感数据显示祝融号火星车已安全驶离着陆平台，到达火星表面。火星车开始进行巡视探测，通过配置的导航地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷，对巡视区开展详细探测。这是一个历史性成就，意味着我国首次火星探测任务挑战“绕、着、巡”三大工程目标，基本取得了成功。随着研究数据和成果不断积累，五大科学研究目标也正在进展中。

在中国神话体系中，祝融是为华夏民族传下火种的创世祖神之一，教古人学会了用火。中华文化源远流长，这个充满文化色彩的称号，在全网投票中脱颖而出，成为中国首个火星车的大名。关于祝融号，大家是不是存有许多疑问？本文就带你详细解读祝融号的探火之旅和它对中国乃至世界航天的意义。

一、为什么说天问一号火星探测任务是“复杂度之最”

人类探索火星60年，先后有过四大方案：“惊鸿一瞥”的飞掠，仅在探测早期技术不成熟无法入轨环绕火星或兼职探测火星时使用；“登高望远”的环绕，可通过稳定环绕全方面探测火星总体情况，但无法看清细节；“明察秋毫”的着陆，能近距离接触火星表面，但仅能定点探测；“自主移动”的巡视，能在火星表面探测更大的范围，但巡视器必须依托于环绕器和着陆器/着陆系统的帮助才能抵达火星表面顺利工作。可以说，巡视任务需要大量的火星研究基础，工程方面和科学方面要求极高，代表着火星探测的最高难度。

一般情况下，会分开执行环绕、着陆、巡视任务，一步一个脚印，前一步为后一步积累基础。即使这样，人类探测火星的成功率也仅有50%左右。

在我国首次火星探测任务中，天问一号把环绕、着陆和巡视三大目标一步到位地同时实现了，非常了不起，困难程度也不言而喻。要知道，祝融号火星车重达240千克，可不是一个小家伙。总体上，近些年来人类探测火星的任务中，天问一号可以说是“复杂度之最”，这体现了中国航天事业快速发展带来的巨大信心。

二、天问一号抵达火星后为何等了3个月才着陆

一方面，环绕器的完全成功是探测火星的基本前提。在环绕器稳定后再进行着陆操作，可以为着陆巡视组合体提供更大的选择余地和容错空间。另一方面，我国还缺乏对火星的全面了解，着陆区的实际地形地貌和气象条件等都需要详细勘察。因此，抵达火星后，需要花一定时间研究勘察，不能冒着风险贸然着陆。

2021年2月10日19时52分，天问一号环绕器携带着陆巡视组合体，成功切入环绕火星轨道并成为火星的一颗人造卫星，随后完成了三大步骤。

1.火星上空“侧空翻”。2月15日，在远火点处将轨道调整为能覆盖火星全球的极地轨道，从靠近赤道的“横着飞”变成“纵向飞”，视野大大增加。近火点则锁定在乌托邦平原等低纬度区域，为后续科研和勘察做准备。

2.进入停泊轨道。2月24日，天问一号成功调整到这条过渡轨道，距离火星更近、周期更短，每两个火星日环绕一周。在这条轨道稳定运行3个月左右时间，详细勘察着陆区域。

3.各项仪器开机。天问一号携带了13台主要科学仪器，其中环绕器上有7台，重点是在近火点时利用中分辨率相机和高分辨率相机等对火星表面高清成像。3个月时间的调试校正后，所有仪器系统都达到了最佳工作状态。

三、为什么说着陆过程是“恐怖九分钟”

火星探测器着陆过程持续时间受一系列因素影响，如冲入火星大气的速度、角度、地点和时间，着陆地点的地形地貌特点（尤其是高度），着陆期间的气象条件，具体着陆技术方案和细节等，总体着陆时间在7～10分钟不等。祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原，总着陆时间在9分钟左右。

之所以被称为“恐怖九分钟”，是因为火星与地球的距离在5500万千米到4亿千米之间变化，远超月球。这不仅意味着一次火星探测任务动辄需要飞行7～11个月，还意味着从地球上发出信号与火星通信，至少需要6～45分钟的双向通信时延。火星大气稀薄，引力较小，整体着陆过程仅持续数分钟，其间根本不可能从地球上对其进行控制，这个过程必须依靠着陆组合体独立自主完成。

此外，火星半径为3400千米左右，约为地球的一半，表面引力约为地球的38%，表面空气密度不足地球海平面的1%水平，但这并不意味着着陆火星难度低。实际上，着陆火星的困难程度远远超过了月球。虽然大气可以给着陆巡视组合体带来一定的气动减速能力，但密度太低不可能减速到理想的着陆状态，最后一定需要反冲火箭工作悬停降落。为应对不可避免的大气冲击、摩擦和积累的热量，着陆巡视组合体还必须增加气动、隔热、避震等防护结构，重量、复杂度和成本等大幅度上升，风险系数也大大增加了。

最后，当地球上的航天人通过精确计算得知祝融号正在火星独立完成各项着陆操作却不得不耐心等待信号回传时，这种焦急的体验不可谓不“恐怖”。

四、着陆期间，祝融号到底经历了什么

开始着陆后，着陆巡视组合体会与环绕器分离，开启独立着陆之旅。其间姿态控制发动机工作，严格控制着陆轨迹角度与方向。如果冲进火星的角度过大就会超过隔热层能忍受的极限，如果角度过小则会像打水漂一般滑入深空。

着陆巡视组合体以5千米每秒级别的速度冲入火星大气后，依然会与稀薄的大气冲击和摩擦产生巨大的热量，足以熔化大部分金属。通过隔热大底和多种散热手段，着陆巡视组合体的温度依然能保持常温。其间速度骤降到数百米每秒，巨大的降落伞在火星上空约10千米的高度打开。

随着速度的迅速降低，已经被烧蚀得不成样子的隔热大底没有存在的必要了，于是这一“功臣”便被抛离并直接脱落在火星表面。暴露出来的底部雷达和工程相机等立即开始急速工作，紧盯目标着陆区域，分析实际与预计的匹配程度，让导航控制计算机快速解算最佳着陆方案。此时，速度已经降至100米每秒以内，降落伞功成身退，真正的大戏开始上演。

着陆巡视组合体依靠底部强大的反冲火箭进行减速，各种传感器进一步仔细检查地面情况，躲避乱石堆、斜坡、沟谷等特殊地貌，找寻最佳着陆角度和姿势。随着速度进一步降低至悬停避障状态，着陆巡视组合体距离火星表面数米高。最后阶段，火箭停止工作，尽力减少火箭工作扬起沙尘的情况发生，着陆巡视组合体成功降落火星表面。

众多复杂的动作犹如在“刀尖上起舞”，稍有不慎便会导致任务失败，难度可想而知。

五、祝融号怎么获取能量

祝融號火星车是天问一号全程呵护的“掌上明珠”。在飞行、环绕和着陆期间，环绕器和着陆器全程为它保驾护航，提供重要的通信、能量和动力服务。但是抵达火星表面后，着陆器将放出导轨，祝融号必须开机，在经历数天能量积累后，最终走出“温室”，依靠自身能力独立生存和工作。

祝融号依靠太阳能进行工作。由于火星距离太阳更远，这里的太阳能密度仅为地球附近的四成左右，对太阳能帆板收集能量的要求极高。它使用了4片巨大的由三结砷化镓构成的“蝴蝶形”太阳能电池阵列，确保足够的能量供应。同时，火星上动辄有大规模的沙尘暴，会对太阳能收集效率产生巨大影响，甚至直接影响火星车的工作寿命。通过防尘涂层技术，祝融号表面的抗沙尘能力大幅提高。但对于旷日持久的全球沙尘暴，它只能是“打不起，躲得起”，进入休眠状态，先躲过“风头”再说。

火星表面空气极其稀薄，保温效应有限，直接导致昼夜温差过大，白天可达20℃，夜晚却能低于零下100℃，这对于不少仪器将是巨大挑战。一方面，祝融号必须在夜晚“熄火”休眠；另一方面，它采用了纳米级气凝胶和正十一烷集热窗等温控技术，确保安全无虞度过漫漫长夜。

六、祝融号怎么运动

会动，是火星车的核心功能。但火星上并不是一片“坦途”，随机出现的尖锐砂石会轻易破坏火星车的动力系统，且这些伤害会逐渐累积，对火星车造成巨大威胁。例如美国的勇气号火星车2009年陷入沙坑，导致轮子出现故障，无法转动，一直被困到任务结束。目前正在运转的好奇号火星车，可能导致任务终止的最大风险之一就是逐渐残破的轮子。

祝融号的机身被设计成了可升降的主动悬架结构，能够自由转向，6个轮子均独立驱动，多轮悬空的条件下依然能自由移动。在极端地形中，祝融号还能重新设计轮子驱动方案以实现“蠕动”“蟹行”和“踮脚”等复杂机械操作，成为一辆不折不扣的“火星六驱越野车”。

不过，祝融号的核心使命是科研，任何机动性能都不如“行车规范”重要。首先，严格限速，节约宝贵的太阳能。这个240千克的大家伙实际速度仅为厘米每秒级别，连乌龟都跑不过。其次，谨小慎微，“走一步，歇两步”。需要经常停下来利用地形相机和避障相机等“眼观八方”，确认安全再出发。再次，聚精会神。要么认真行驶，要么停车让科学仪器开启工作，绝不“边走边玩”。最后，真的发生紧急情况陷入困境后，航天人也会在地球实验室利用火星车的“双胞胎”备份还原真实火星驾驶场景，设计多种解决方案，帮助它脱困。

正所谓“行车不规范，亲人两行泪”，即使在火星，祝融号也要牢记行车规范。

七、祝融号怎么与地球通信