要想着陸火星，總共分幾步？_風聞

來源：微信公眾號“中國探月工程”

哈嘍，小夥伴兒們，

再過不久是我們天問一號着陸火星“大日子”，

前期“追番”追了這麼久，

終於要到“親密接觸”的一天了，

想想是不是還有點小激動呢？

在這關鍵的時刻，

沒點兒知識儲備怎麼能行？

今天我們就一起來學習，

天問一號着陸火星的幾個核心知識點吧，

敲黑板，漲姿勢啦!

要想着陸火星，總共分幾步？

答案很簡單，三步:

第一步是“進入”，

第二步是“下降”，

第三步是“着陸”。

也就是傳説中的EDL過程，

E就是Entry，進入;

D就是Descent，下降；

L就是Landing，着陸。

目前全世界已進行的21次火星着陸任務中，

只有9次成功。

之所以難度這麼大，

是因為地球和火星之間距離遙遠，

無線電信號單程時延最長可達20分鐘左右，

對於近地軌道航天器，

工程師們可以在地面實時監視、實時控制。

一旦出現緊急情況可以及時“搶救”，

而對於火星探測，航天器以什麼姿態飛行，

什麼時間點火、工作多長、什麼時候關機，

出現問題如何處置，

都需要探測器“自行安排”。

當然，最核心、最關鍵的是火星大氣影響。

地球上我們可以通過天氣預報知道，

明天是颳風、下雨、打雷還是晴天。

隨時精確測出大氣温度、濕度、風速等。

而在火星上，我們沒辦法預報天氣，

也不能準確知道火星即時的大氣密度、氣壓、風速等關鍵信息，

而這些參數卻直接影響着陸的成敗。

火星全球性的沙塵暴基本每年都有，

持續時間能達幾個月；

火星大氣密度、大氣風場等，

隨季節、地理位置、着陸時間等變化。

一頭扎進不可確知的大氣環境，

是一半以上着陸任務失敗的主要原因。

接下來我們就分別看看EDL三個過程中，

天問一號是怎樣闖關的吧，

天問一號的EDL旅程，

從火星大氣上邊界（距火面約125km）開始，

總的來説，航天器進入擁有大氣層的天體時，

有以下幾種進入方式：彈道式、半彈道式（或稱彈道-升力式）、跳躍式、橢圓衰減式。

所謂彈道式，就是航天器在大氣層中飛行時，

大氣來流方向沿着航天器的幾何對稱軸方向，

進行“正面剛”，

此時只有阻力沒有升力；

除此之外，對升力不加以控制也歸於此類。

這時的航天器就像子彈、炮彈一樣“直奔主題”

這種方式最早見於導彈的彈道設計。

我國的返回式衞星，美蘇的第一代載人飛船，

都是採用此種方式返回地球。

這是航天器最“樸素”的一種再入方式，

等於直接從太空“扔”進大氣層，

這種方式下，

航天器氣動總加熱量較小，

但是過載較大，

落點精度較差。

半彈道式屬於彈道式的升級2.0版，

在此情況下，大氣來流方向沒有沿着航天器的幾何對稱軸方向，

氣體作用在航天器表面，不僅產生阻力，

也會產生升力。

有了升力的“扶助”，

航天器會按一條較為平緩的軌跡下降，

有效減少了過載，

同時，通過升力控制可以為航天器“定製”航向，

從而提高了落點精度，

但因為延長了飛行時間，總加熱量增大。

中國的神舟號飛船，美國的雙子星座均使用此類方法實現再入返回

跳躍式則是在半彈道式的基礎上，“升力plus”的軌道設計方法

航天器以較小的角度進入大氣層，

這樣可以產生足夠的升力使其“一躍而出”

之後航天器再次進入或多次進出大氣層，

最終達到減速的目的。

剛剛載譽歸來的嫦娥五號返回艙就是一名優秀的“跳躍”選手，

最後，橢圓衰減軌道則是更加“任性”的存在，

它選擇以更加小的進入角掠過大氣層，

而後“繞個圈圈”再次重複上述操作，

每次將橢圓半徑減小一點，

直至最後落入大氣層中，

這種方式無法預先選定着陸點，

花費時間長，一般只在緊急情況下，

作為應急救援使用。

天問一號採用的是半彈道式設計，

在進入段要解決兩個最重要的問題：

一是“進得去”，

二是“進得穩”，

解決“進得去”的問題，

關鍵一步就是進入角θ的設置，

如果進入角過大，

航天器 “一頭扎進”大氣層中，

會在進入過程中被燒壞；

如果進入角過小，

航天器將會“躍出”大氣層，導致無法成功進入。

經過科學家和工程師們的精密計算，

一般採用進入角為十度左右設計再入軌跡，

而解決“進得穩”的問題，

就要靠航天器的攻角η設計了，

首先將航天器的質心配置在偏離縱軸的位置上，使其“不穩”，

 待航天器進入大氣層後，

氣動力矩會逐漸改變它的姿態，

最終，運動方向、質心、壓心處於一條直線，

航天器便可維持相對穩定的姿態，“抬頭前進了”

這個“抬頭”角度就是配平攻角。

整個航天器“自我調節”至姿態穩定的過程，

也被稱為“攻角配平段”。

它是航天器“穩穩當當”進入大氣層的第一步

隨後航天器進入升力控制段，

自帶的推進機構可以使航天器在一定程度上

HOLD住自身姿態，或者改變姿態以調整航向

 確保“穩重大方”地造訪火星

在升力控制段結束之後，

天問一號將伸出“小翅膀”（配平翼），

通過產生反向氣動力矩，

抵消質心偏移產生的氣動力矩

將進入艙“立”起來，把攻角減少到0°，

也就是“直面”速度方向，

為開傘做準備。

上一次講到我們的探測器

已經闖過了最初“進入段”，

接下來就是降落傘準備出場減速了。

天問一號攜帶祝融號火星車

即將在明天上午着陸火星表面，

我們一起來解鎖着陸技能吧~

地球上載人飛船使用的降落傘，

是在亞音速條件下打開使用。

而在火星上使用降落傘，

是在超音速條件下打開充氣。

如果不提前把攻角減少到0°，

過快的速度會使得降落傘在拉直過程中，

“搖擺不定”偏離拉直方向，

造成如傘衣損壞、傘繩斷裂、

漏氣塌陷等後果，

所以需要提前“擺正姿態”。 

在前期“瘋狂減速”基礎上，

航天器速度已從4.8km/s減速到數百米/秒

完成總減速量90%以上，

使得航天器具備傘降條件。

此時，巡視着陸器“頭頂”降落傘展開，

開始在火星上“兜風” ，

當速度減小至亞音速後，

就可以拋掉一路以來“衝鋒在前”的大底。

隨着減速繼續，

當着陸巡視器速度降至不足百米/秒時，

靠火面的稀薄大氣已經不能繼續有效支撐傘降，

降落傘減速效率不再具有優勢，

着陸巡視器就會“破殼而出”拋棄背罩，

進入動力減速段。

從動力減速段開始，

火星車和着陸平台就要用自己的“眼睛”去看，

用自己的“力氣”去走，

開始為着陸做準備，

首先是發動機點火工作，

進行動力減速，

着陸巡視器降至距離火面百米左右高度時，

懸停在空中開啓雷達和光學相機，

探測預選着陸區，測定離火面高度，

對着陸區成像，自主分析地形，

選出較為平坦的區域準備着陸。

之後瞄準自主選擇好的着陸位置，

緩速下降，

將自己“小心輕放”於火星表面。

經過這一趟驚險闖關，

我們的着陸巡視器終於踏上紅色大地了

Wuhu~，火星，我們來啦

小夥伴們也許會問，

為什麼落火需要這麼複雜又驚險的過程呢？

我們前期在探月工程中已經積累了

很多再入經驗，

是名副其實的“老司機”了，

為何採用這套複雜又危險的組合動作呢？

這時候就要好好講一講區別了，

火星不同於月球，

月表大氣十分稀薄，幾乎可以忽略不計，

而火星表面則是包圍着“紮實”的大氣層，

這一方面對航天器進入加設了“關卡”，

另一方面也提供了“先天”的減速措施，

可以“幫助”航天器在進入段依靠氣動力

完成主要減速過程。

大氣帶來的“先天”減速優勢，

如果換算成燃料效能如何呢？

我們可以對照探月任務算一筆賬，

着陸月球要求從15km高度

減速1.7km/s至月面，

而着陸火星是要求從125km高度

減速4.8km/s到達火星表面，

如果還是按照僅靠消耗燃料的減速方案，

火星探測器要攜帶的燃料重量

將遠遠超過探測器本身重量，

所以着陸火星所經歷的層層闖關，

也算是天問的“剛需”了

講到這裏，本階段科普時間就可以告一段落了

是不是對我們的火星探測

更加憧憬與期待了呢？

這次火星車所用到的黑科技還遠遠不止這些。

讓我們一起期待祝融號在火星的的表現吧，