天问一号着陆器成功降落火星，还带去了祝融号火星车
本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉，题图来自：国家航天局
据中国青年报客户端消息，记者从国家航天局获悉，北京时间2021年5月15日上午8点20分左右，我国天问一号着陆器确认成功降落火星，着陆地点位于火星北半球的乌托邦平原，着陆器上搭载的是我国“祝融”号首辆火星车，这是我国首次实施火星着陆任务。
图注：天问一号着陆器降落火星（艺术图）。
天问一号火星探测器2020年7月23日发射升空，历经200多天的飞行，于2021年2月10日成功进入火星轨道。在此后的这几个月的时间里，又经过多次轨道调整，对着陆区域进行了高分辨率成像，等待今天这个最佳时机实施着陆。
图注：天问一号探测器由轨道器（环绕器）、着陆器和巡视器（火星车）组成。
着陆器搭载祝融号降落火星后，轨道器则继续围绕火星运行，一方面为着陆器和火星车提供中继信号服务，另一方面继续进行科学探测活动。
图注：2021年3月16日，天问一号轨道器拍摄的火星南半球影像。
一、我国首辆火星车：祝融号
天问一号着陆器携带了我国祝融号首辆火星车。据官方说法，祝融是中国上古神话中的火神，火的应用促进了人类文明的发展，驱散黑暗、带来温暖。火也将照亮鸿蒙，指引人类不断探索浩瀚星空，引领人类追逐光明。
图注：祝融号火星车位于着陆器上方（艺术图）。
图注：祝融号火星车从着陆器上走下（艺术图）。
祝融号火星车重约240公斤，几乎是玉兔月球车重量的两倍，这个重量介于NASA的机遇号火星车和好奇号火星车之间，预计能工作至少90个火星日。
祝融号火星车有四片太阳能板，六个车轮，两个高耸的天线，看起来就像一只蝴蝶。六个车轮都能提供动力，还能像螃蟹那样横着走，更加灵活机动。
图注：祝融号火星车在火星上（艺术图）。
由于火星车采用的是太阳能动力，受火星上光照和温度的限制，最佳的工作时间是在火星的中午前后，这时候阳光比较充足，能为其上搭载的科学仪器提供充足的电力。在白天阳光充足的时候，火星车还会把一部分电能储存在蓄电池中，以备夜间使用。
除此之外，科学家还想到一种利用物质相变吸收太阳能的巧妙方法，在火星车顶部，有一个叫集热窗的装置，里面装有正十一烷。白天，温度升高的时候，这种物质吸收热量而熔化；夜间，温度下降的时候，这种物质释放热量而凝固。利用这种方法，可保证火星车安全度过漫漫寒夜。
图注：中国国家博物馆展览的祝融号火星车模型（乔辉拍摄）。
二、天问一号降落火星经过了哪些难关？
着陆器从离开轨道到着陆到火星表面的过程简称为EDL，是Entry Descent Landing的缩写。
着陆器从分离到降落火星大约需要9分钟左右的时间，在这9分钟时间里，速度要从4.8公里每秒降至零。
我们知道，火星是有大气层存在的，表面气压大约是地球气压的1%，探测器进入地球大气层后强烈压缩其前面的空气，造成温度急剧升高，温度可达2000度左右，也就是说，着陆器被一层高温的等离子体包围着。等离子体有一个特性，能够屏蔽电磁波，这就造成了着陆器与地面控制人员无法进行通讯，这种情况可持续6到7分钟，通常比喻为黑色恐怖的7分钟。
图注：正在穿越火星大气层的天问一号着陆器（艺术图）。
经过这一阶段的气动减速之后，着陆器的速度能够降低90%，大约480米每秒，此时的高度大约10公里，然后减速伞打开，进一步降低着陆器的速度，与此同时，包裹着陆器的前端防热罩脱离。
当速度下降到95米每秒的时候，大约相当于复兴号高铁的速度，此时降落伞拉着背罩脱离，着陆器处于裸露状态，着陆器底部的7500牛变推力发动机开始点火，逐渐降低下降速度。同时维持姿态稳定。
在距离火星表面100米的地方，着陆器的速度降到零，此时着陆器处于悬停状态。与此同时，着陆器下方的相机开始拍摄着陆点精确图像，自主选择相对平坦的区域实施最终的着陆。
图注：2019年11月14日，我国在河北省怀来县试验场模拟了天问一号着陆器在火星环境下的悬停、避障和缓速下降的过程。
确定最终的着陆点后，着陆器再缓缓下降，落地的速度仅剩3.6米每秒，这个最终速度采用着陆腿的缓冲机构来克服。
三、降落地点为什么选择在乌托邦平原？
乌托邦平原（Utopia Planitia）位于火星的北半球，是火星上的最大平原，大小约3300公里。为什么选择在这里着陆呢？
图注：乌托邦平原在火星上的位置和天问一号着陆地区。
一是因为工程风险低。由于该地区地势平坦，陨石坑较少，地质年龄较轻，地壳较薄，对着陆器着陆和后续的科学探测非常有利。
二是因为科学价值高。人类登陆火星，其中一个非常重要的目的是寻找火星上的生命痕迹，科学家认为，在远古火星，乌托邦平原很可能是海洋覆盖的地区，天问一号着陆地点（东经110.318度，北纬24.748度）位于远古海洋与陆地交界处。1972年，美国海盗二号着陆器也选择在该地区着陆。
图注：国家航天局3月3日发布的火星着陆区高分辨率图。
2016年，美国宇航局宣布，在火星乌托邦平原地区，发现有一个巨大的地下冰体，估计含水量相当于苏必利尔湖。
图注：远古火星可能存在过大面积的海洋。
四、天问一号的主要科学目标有哪些？
据官方透露，天问一号任务共有13种有效载荷。轨道器上的7台仪器包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。
祝融号火星车上的6台仪器包括多光谱相机、地形相机、火星次表层探测雷达、火星表面成分探测器、火星磁场探测器和火星气象监测仪。
这些有效载荷要完成以下五大科学目标：（1）绘制火星形态和地质结构图；（2）调查火星表面的土壤特征和水冰分布；（3）分析火星表面的物质组成；（4）测量电离层和火星地表气候及环境特征；（5）探索火星的物理场（电磁场、引力场）和内部结构。
五、无形的风筝线：深空网
从地球飞到火星可不是一件容易的事情，火星探测器离开地球，在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远，发出的信号随着距离的增加而衰减，这就需要有强大的深空测控能力。
最著名的要数美国深空网（DNS），这是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网，是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。
图注：佳木斯深空站66米测控设备。
近年来，我国为了深空探测的需要，也建立了自己的深空网，嫦娥探月计划的成功实施，深空测控网功不可没。本次天问一号火星探测器，我们除了拥有推力强劲的长征五号运载火箭之外，还得益于拥有独立的全球性深空网。
我们的深空通信综合设施主要是喀什深空测控站、佳木斯深空测控站和位于阿根廷的深空测控站。为什么要到阿根廷建设深空测控站？为了克服地球自转影响，实现对深空航天器的连续跟踪。
图注：阿根廷深空站35米测控设备。
据悉，虽然佳木斯站和喀什站充分利用了我国地域上的东西纵深，经过验证，其测控能力已可达到6400万公里，但是这两个深空测控站还不能实现全天24小时覆盖，每天还会有8到10个小时的测控盲区，要保证连续的通信还得在南美洲建一个站点。
目前，我国的深空网已成为继美国深空网、欧空局深空网之外，又一功能完备的全球性测控网。
除了这些专用的深空测控天线外，分布在国内的众多射电望远镜也能帮助接受信号，为我国深空探测任务保驾护航。
图注：位于天津武清的我国70米口径的高性能信号接收天线系统。
值得注意的是，2021年2月3日，据央视新闻报道，位于天津武清的我国70米口径的高性能信号接收天线系统完成验收并投用，它是目前我国乃至亚洲最大的航天信号接收天线（非专用射电望远镜），这架天线首先用于天问一号探测器的信号接收工作。
六、火星表面有哪些最著名的探测器？
图注：火星表面的探测器分布。
当前，最著名的火星探测器要数好奇号和毅力号火星车了，前者自从2012年着陆火星以来，一直稳定工作，靠放射性同位素发电机提供能量。后者于2021年2月19日成功登陆火星，还带去了一架名叫“机智”号的直升机，目前工作状态良好。
图注：美国宇航局好奇号火星车（艺术图）。
2004年着陆火星的勇气号和机遇号火星车也是大名鼎鼎，两辆火星车的设计寿命只有90天，但两者都大大超期服役。其中，勇气号运行到2010年，机遇号更是工作到2018年。
1976年着陆到火星的海盗一号和海盗二号着陆器也非常有名，这两枚着陆器极大提高了人类对火星的认识。
2008年凤凰号着陆器在火星的北极着陆，还首次探测到火星上的微量降雪。
2018年着陆火星的洞察号探测器目前正在通过监听火星的星震和内部热流来研究火星的整体结构。
除了美国的这些着陆器或火星车，前苏联也数次尝试登陆火星，其中只有1971年发射的火星三号着陆成功，火星三号还带了一辆非常小的火星车，这是人类的探测器首次在火星成功着陆。但遗憾的是，火星三号着陆器只工作了20秒，火星车杳无音信，不确定是否部署成功。
图注：前苏联的火星三号着陆器和小火星车（艺术图），
除了这些火星车和着陆器，在火星轨道上运行的著名轨道器有火星奥德赛、火星快车、火星勘测轨道飞行器（MRO）、曼加里号、希望号以及咱们中国的天问一号轨道器等等。
七、人类探测火星的悲壮历史
迄今为止，人类已尝试发射了47次火星探测。其中，美国22次，前苏联和俄罗斯共19次，日本1次，欧洲2次，印度1次，阿联酋1次，中国1次。完全成功和部分成功共计26次。
图注：上图是截至到2012年，人类共向火星发射的探测器的全家福。
其中，前苏联共尝试发射17次火星探测器，成功和部分成功仅5次；美国向火星发射了23次探测器，其中成功了16次，失败了7次；欧空局向火星发射了2次，成功了2次；俄罗斯向火星发射了2次，失败了2次；日本向火星发射了1次，失败了1次；印度向火星发射了1次，成功了1次；阿联酋向火星发射了1次，成功了1次；中国向火星发射了1次，成功了1次。因此，火星有探测器坟场的称呼。
随着科技的进步，近些年火星探测器的成功率已经有了很大的提高。从进入21世纪以来，人类共向火星发射了15次探测器，其中只有1次完全失败，2次部分失败。
八、人类探测火星的重要意义是什么？
火星是太阳系内与地球环境最接近的行星，有稀薄的大气层，气压为地球的1%，局部最高温度甚至可达35摄氏度，当然平均温度还是比较低的，只有零下63摄氏度。此外，还封存有大量冷冻状态的水。
图注：毅力号拍摄的火星地貌。像不像地球上的戈壁？
因此，在未来，火星几乎是唯一存在移民可能性的行星。另外，火星还可能存在像微生物这种低等生命的可能性。这些因素都是世界各国热衷探索火星的重要原因。
本文来自微信公众号：腾讯太空（ID：qqtaikong），作者：乔辉