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巡視 中國火神踏上火星！祝融號火星車著陸火星十大問題詳解( 二 )


問題三：為什么著陸過程是“恐怖九分鐘”？
火星著陸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，也被叫做“恐怖九分鐘”。
這是因為：火星雖是近鄰，但與地球的距離在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，期間根本不可能在地球上進行控制，這個過程必須依靠著陸組合體獨立自主完成。
巡視 中國火神踏上火星！祝融號火星車著陸火星十大問題詳解
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△2000-2022年地球和火星距離變化，各火星探測任務在太空中飛行的時間區間
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。
因此，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”。
問題四：著陸期間，祝融號到底經歷了什么？
在最終確認開始著陸指令后，著陸巡視組合體會與環繞器分離，開啟獨立著陸之旅。期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，如果過小任務就會像打水漂一般滑入深空。
沖入火星大氣后，5千米/秒級別的速度依然導致稀薄的大氣沖擊和摩擦產生了巨大的震動和熱量，足以融化大部分金屬。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。期間速度驟降到數百米/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，已經被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒有存在的必要了，對這一功臣的“回報”是：它將被拋離并直接脫落在火星表面。此時，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，分析與預計的匹配程度，讓控制導航計算機快速解算最佳著陸方案。初步選定期間，速度已經降至100米/秒以內，降落傘功成身退，此時才是大戲上演的時刻。
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△各火星著陸任務初始階段流程接近，圖為毅力號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大的反沖火箭工作開始減速，各種傳感器進一步仔細檢查地面情況，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。隨著速度進一步降低至懸停避障狀態，著陸巡視組合體近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等因素對它們的影響，著陸巡視組合體成功降落火星表面。
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△2019年11月14日，著陸巡視組合體懸停避障試驗在河北懷來外天體著陸綜合試驗場進行，這也是祝融號首次公開亮相（圖源；央視新聞）
眾多復雜的動作，猶如在火星獨自“刀尖上起舞”，稍有不慎便會任務失敗，難度可想而知，了不起的成就！
問題五：祝融號怎么獲取能量？
祝融號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。
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△祝融號的外觀結構（圖源見水印）
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4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“蝴蝶型”太陽能電池陣列，確保足夠能量供應。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，則只能是“我打不起，但躲得起”，進入休眠狀態，先躲過“風頭”再說。

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