火星探测器的着陆过程被称为“恐怖九分钟”,在某些情况下,它也被称为“黑色七分钟”。这个过程通常被称为EDL,是进入、下降和着陆的英文首字母,而整个过程需要依靠着陆器的自主控制。在人类历史上,火星软着陆任务的成功率不到一半。对于中国国家航天局来说,这是第一次尝试将重量超过一吨的着陆器软着陆在火星表面,这确实是一个新的挑战。由于众所周知的困难,“天问一号”的成功着陆在一定程度上震惊了一些不太关注中国航天工业的公众。但是,如果你真正了解了中国深空探测任务的发展道路,你就不会对“天问一号”的圆满成功感到特别惊讶。毕竟,机会总是留给有准备的人,火星软着陆任务也不例外。
由于火星独特的大气和重力环境,在软着陆过程中有三个关键的技术行动:
1、飞船进入大气层后减速时的过热保护和姿态控制。
2、超音速降落伞的展开。
3、着陆器自主避障和软着陆技术。
与地球类似,火星表面也有大气层环绕,所以航天器在着陆前必须与火星大气层发生剧烈摩擦,航天器表面温度甚至可以超过1000摄氏度。这就要求着陆设备具有良好的防热措施和空气动力学形状,以便在与火星大气的摩擦中保持探测器的电子设备完好无损,避免倾覆。
大气层再入对中国的太空计划来说并不新鲜,回顾中国飞船再入的历史发展轨迹,自1999年以来,“神舟”系列飞船每次返回舱进入地球大气层都会与大气发生严重摩擦。自2003年以来,已有11名中国宇航员进入太空并安全返回。随着中国“天宫”空间站的启用,未来两年内将有12名中国宇航员进入太空并返回地球。2014年发射的“嫦娥五号”T1再入返回飞行试验机和2020年取回月球土壤返回地球的“嫦娥五号”返回舱,测试了飞船以第二宇宙速度重返大气层的安全性和可靠性。可以说,在“祝融号”登陆火星之前,飞船再入大气层的气动外形设计、姿态控制、热防护材料等关键技术已经得到完善和测试。
在着陆过程中,后隔热罩和底部隔热罩起到了隔热的作用。防热罩外的姿态控制喷管和平衡翼防止航天器轴向旋转,保证姿态稳定。为了进一步提高“天问一号”进入火星大气层的隔热可靠性,中国航天科工集团306研究所为探测器设计了一种新型隔热材料——纳米气凝胶,它被用于处理“极热”和“极冷”环境。与此同时,纳米气凝胶的超轻特性也大大减轻了火星车的负担,使其跑得更快更远。
此外,为了抵御火星大气层带来的不确定性风险,中国采用了一种独特的基于所谓平衡翼的弹道升力式大气层进入方案,这是人类首次运用于火星探索。这种方案在进入火星过程中减速时间长、过载小,同时还可以通过控制升力方向来提高探测器的着陆精度,也是未来火星采样、返回和载人火星着陆任务的理想进入方法。此前,“嫦娥五号”返回舱也使用同样的技术成功着陆地球。
与地球的大气相比,火星大气的一个重要区别是它的密度仅为地球大气的1%。为了在释放着陆器之前将探测器的速度降低到小于每秒100米的安全范围,除了火星大气和绝缘屏蔽之间的摩擦,探测器还需要降落伞的帮助。在地球上,由于大气密度高,探测器的速度通常会在降落伞展开之前降至音速以下。然而,火星稀薄的大气层使探测器不得不在超音速飞行期间打开降落伞及时减速。这给探测器的超音速降落伞系统提出了一个巨大的挑战,也是导致欧洲和俄罗斯火星探测计划一再推迟的一个关键因素。
早在2016年,中国航天科技集团公司508研究所就完成了超音速降落伞的风洞试验。在2018年,中国航天科技集团公司研制的新型“天鹰”系列探空火箭在新疆库尔勒发射场成功发射,成功完成火星探测器着陆的超音速降落伞技术试验,为3年后登陆火星奠定了又一技术基础。在超音速降落伞将探测器的速度从2马赫降到每秒95米之后,火星软着陆的最后一步任务落到了着陆器上。
与“毅力号”火星探测车的“天鹤”方案不同,“天问一号”采用的是反向推力悬停着陆方案。携带火星探测器的着陆平台将在接近地面时启动反向推力系统,使平台缓慢下降。在距离火星表面100米的地方,它进入了悬停阶段。在光学成像传感器等测量设备的帮助下,完成精确避障和缓慢下降后,在缓冲机构的保护下,探测器到达火星表面。这一过程的关键部件是“7500N可变推力发动机”。通过单个发动机的油门控制,着陆器可以实现一系列复杂的动作,如减速、悬停、避障和缓慢着陆。
我国的“7500N可变推力发动机”自2008年开始研制,先后完成了发动机的验证、设计、鉴定试验、工艺研究、高温试验。2013年,它首次被用于“嫦娥三号”。它帮助“嫦娥三号”以反向推力悬停模式成功着陆,使中国成为继前苏联和美国之后第三个成功实现月球软着陆的国家。依靠这一引擎,2018年的“嫦娥四号”使中国成为首个在月球背面软着陆的国家。2020年,“嫦娥五号”着陆器仍依靠“7500N可变推力发动机”的稳定性能,成功在月球表面着陆并携月土返回地球。
除了可变推力引擎,由于火星和地球之间的距离是数亿公里,探测器着陆所需的全自动着陆程序和自主避障能力也在“嫦娥三号”到“嫦娥五号”任务中得到验证。不难看出,嫦娥探测任务的技术经验为“天问一号”三大目标的成功增添了信心。
后记
从载人航天,到嫦娥探月,再到祝融号火星探测器任务,中国国家航空航天局的科学家们正在一步一步地推进这些技术。特别是在前期预算紧张的情况下,仍在按照现有的项目规划和路线图,逐年突破关键技术,进行大量技术测试,稳步推进。早在2004年,中国的探月任务就设定了到2020年完成绕月、着陆和样本返回三个步骤的目标。2020年12月,“嫦娥五号”任务结束,圆满完成。此外,早在2000年,中国的空间站任务就制定了载人飞船发射、航天员太空行走、发射空间实验室和到2022年建成空间站的计划。