第508期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《登陆火星》
讲座题目：透视新科技——登陆火星
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：耿 言，国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长。
刘建军，中国科学院国家天文台研究员、首次火星探测任务地面应用系统总设计师。
讲座时间：2023年11月13日～11月19日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——登陆火星
讲座内容：
各位好，欢迎各位收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春，当天问一号成功进入火星轨道之后，接下来会有一个“黑色九分钟”的着陆过程。那这九分钟到底会经历什么呢？我们通过短片进入今天的节目。天问一号探测器在飞向火星的过程中，分为发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆、科学探测共六个阶段，经历过发射、地火转移、火星捕获阶段后，天问一号成功被火星引力场捕获，进入火星停泊轨道。在完成对着陆区探测和着陆点调整后，择机着陆火星开展科学探测。这是天文一号的轨道示意动画，从中能够看出天问一号的行驶轨迹始终是椭圆，但是椭圆的轨迹会越来越小，也就意味着探测器距离火星越来越近，而每一次将椭圆缩小的过程都叫做近火制动。在动画中我们看到了五个椭圆，这意味着天问一号一共进行了五次近火制动。只有成功完成第三次近火制动后，探测器才会抵达合适的高度，进入停泊轨道，正式开展环绕探测工作，后面的两次制动将会在什么时候进行？有什么目的呢？
首先，我们给大家介绍一下我们今天请来的两位科学家，第一位是国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言，另外一位是中国科学院国家天文台研究员、首次火星探测任务地面应用系统总设计师刘建军。这次跟我们天问一号一同发射的还有美国的毅力号，还有阿联酋的希望号，天问一号为什么没有像美国的毅力号那样立刻去着陆火星？这个跟我们的任务形式有关系，毅力号它的目标就是着陆去巡视。我们是两个目标，环绕和着陆巡视，所以我们最后采取的策略，先整体环绕，先完成捕获再去着陆，这样我们可以更从容地来完成这件事情。同时，我们还可以利用刚才说了停泊轨道上一段时间来详查，为我们着陆做更好的准备。还有一方面是着陆器下去了着陆的过程中间，它没办法和地面直接通信，距离太远。它自己不可能有那么大的天线，能够在这个过程中间和地球通信，需要环绕器给它进行中继，包括它着陆的过程，包括它落下去开始干的这些工作，都需要有通信的中继。地面需要知道它是什么状态？美国因为目前在火星轨道上，还有三颗环绕器或者叫轨道器。它过去的时候，它们就能够给它进行中继，而我们国家是第一次去，我们在火星轨道上没有自己的卫星，所以我们必须用我们自己的环绕器给它进行中继。这样的话着陆过程的信息，我们才能够了解到，所以我们还是认为先环绕起来再着陆才更稳妥一些，也是更好的一个策略，对于美国的这个，它的瞄准怎么解决呢？
它是后面有一个巡航级，这个巡航级给它建立进入火星的初始姿态。这个巡航级它没有任务了，丢掉就可以了。我们的环绕器，还要有自己的工作，所以我们采取的策略跟他们不一样。说到这儿，我们来看一段相关的短片。由于我国是首次开展火星探测，对于火星表面情况并不十分了解，所以天问一号的每一步都要做好充分准备。2021年2月15日，天问一号进行了远火点平面机动，让探测器从绕着赤道飞行，变成绕着火星南北极飞行。这几次轨道的调整，就是为了让天问一号亲眼看一看之前选中的着陆点，为下一步着陆火星提供更加丰富的科学依据。天问一号在环绕期间到底执行什么任务？都做些什么？环绕我们实际上是有三个阶段，第一个阶段是停泊段。停泊段主要的目的就是对我们预选的着陆区的范围，进行一个详细的探测，详细探测什么呢？第一，我需要了解一下这个地方的地貌，或者地形特征是不是平坦，这地方有没有沙丘，有没有山，有没有撞击坑这些分布，这个地方的坡度大概有多少？
火星车落下去以后，就能有一个安全的走路的地方，这是第一个层面。另外一个的话，我们希望能够大致了解一下它这里边的物质成分，是不是科学家感兴趣的地方，这里边能不能和我们的科学目标之间，比如说我们大家关心的水，或者是其他的这个含水矿物这些东西，能不能在这地方有可能发现。还有一个很重要的就是火星这个环境的不确定性，它这个地方沙尘暴有没有，所以我们还是希望能够对它的天气状态有一个初步的研判。所以是这样一个停泊段，要做的一个工作，之后的话我们火星车着陆到火星表面以后，这个时候我们叫中继轨道段。主要的工作目的就是要和我们的火星车之间进行中继通信，把这个火星车获取的这些科学探测数据，通过我们的环绕器，然后传回到地面来进行火星车的科学的工作。第三个阶段的话，等到我们这个火星车，按照设计寿命达到了三个月以后，我们的轨道器进入到遥感的使命轨道段。这个时候我们的轨道器，在火星表面的星下点，是可以覆盖整个火星表面的，这样我们可以做全球的遥感探测，同时兼顾我们的火星车的中继通信。说到这儿，我们来看一看我们记者编辑的相关短片。
从地球把探测器打到火星上，本身就是一个非常有挑战性的工作，难度相当于从北京把一个高尔夫球打到纽约高尔夫球场的球洞中。到火星不易，登陆火星更难，天问一号着陆器降落火星的过程中，要经历技术难度最大、失败率最高的“黑色九分钟”。它将如何克服“黑色九分钟”的挑战，安全着陆呢？接下来可能我们就涉及到一个非常重要的环节了，说到之前的火星探测器失败的原因，有一半都是出现在着陆上降落这个过程当中，火星着陆到底有多难？火星的着陆从它的难度来讲，首先还是刚才说过的，就是这个环境我们对它了解的程度，再有一个它的环境的不确定性。我们国家第一次去，说实话我们没有以往探测的第一手的资料。我们能够搜集到的资料，都是通过公开的学术刊物上面找到的关于它环境的各种数据，这些公开的数据，它的原始状态我们并不太清楚。第二就是环境的不确定，我们在地面上知道风霜雨雪，火星同样它也会刮风，大气本身就是一个不太确定的这么一个环境。那么应对这些不太确定的东西？它都会对设计带来困难，对过程中间会带来风险。
第二个是火星的着陆，它的过程非常复杂。第一步就是进入火星大气。进入火星大气，我们是靠着这个气动的外形，我们可以看到这个着陆巡视器是一个壳子，底下是一个大钝头，后面是一个小钝头。第一部分减速过程，是靠这个大钝头跟火星大气的作用。这个时候它以高速进入大气的速度是多少呢？大概4.8千米每秒，它进入大气的时候，速度很快，尽管火星的大气很稀薄，但是因为速度很快，它这个力量和大气高速的作用，一个会有力量的作用。在这个力的情况下，它要保持稳定，不能翻转，要控制好自己的姿态。进入的时候，其实是要有一个瞄准进入的方向的，这个通道是非常窄的一个区域。如果是角度太大了，它可能就进入不了，着陆不了在火星上，所以只有一个恰恰好一个减速的通道是最合适的，这地方是比较难的一个点。第二阶段是开伞，这个里边存在什么样的难度呢？
第二个阶段是靠降落伞。火星的降落伞和地球的降落伞，因为环境不同，它的设计要求完全不同，第一个它开伞的速度，它要超音速开伞，这个时候的速度很快。地球从飞机上跳伞，它不会到那么快的速度，再一个因为火星的大气密度和地球差距很大，大气密度大概是地球的1%，所以它开伞的时候，叫做低动压开伞。这个是完全不同的环境，所以火星降落伞的设计就不同，它开伞的状态对这个初始姿态，也是有要求的。刚才说我们进入要保证一个角度，开伞的时候希望它尽量平，这个时候着陆器，这个气动外形，还要给它调整一下这个姿态，让它变平，这个调的过程也很复杂。伞是靠一个火工品，所谓火工品，就是像炸药一样把它炸出去，从这个背罩上炸出去，这个伞要能够弹得出，要能够打得开。那么在低动压的状态下，对于开伞是很不利的，要能够稳得住。这伞开了以后不能打转转，打转转就搅在一起了，它得能够很稳定地撑开。开伞因为速度很大，突然张开那么大一个面积，它的力量也很大，不能扯破帆，不能拉断绳。瞬间这些过程都要完成，这是一个对于开伞的要求，所以开伞过程本身是我们整个过程里边，风险最大的一个环节。
刚才提到了这么多，很复杂的一些操作过程，我们怎么去验证它，其实地面上探测器系统，做了非常多的验证实验。比如刚才说的气动外形这一块，承受这么高的温度，这么快的速度，它会不会导致被烧蚀掉。还有一个很重要的一个因素，就是说火星上的这个大气，虽然它的大气压只有地球的1%，但是它的成分跟地球也不一样，火星上的成分它95%是二氧化碳。所以这二氧化碳，对我们这个外形的烧蚀，这么高的速度，这么高的温度烧蚀的影响是什么？这些东西实际上都是地面上探测器做过很多的实验，还有就是这个伞的展开。在这种低气压的这种情况下，高速的时候展开以后，会不会出现各种各样的情况，地面上也是做了大量的这样的实验验证。降落伞打开以后，它就会慢慢把速度再进一步降低，在这个过程中间，还要做几个工作。降落伞打开以后慢慢下来，要把那个大底扔掉，这个时候着陆平台就暴露在外面，着陆平台自己的伸腿要打开，然后着陆平台底下有着陆的相机，有测量速度，测量距离的敏感器，这时候都开始工作。
那么这个相机，要对地面成像，要在这个里边，选择一块相对比较平坦，符合要求的地方，它到了离火星表面一定高度的时候，就必须把降落伞抛掉，进一步靠动力来减速，就是靠一个大的发动机点火反推它，使它能够进一步减速。发动机打开了之后，缓缓地一面减速，一面可以横向移动，向着它选好的这个地方去走，它慢慢地走到离这个火星表面100米的地方，它要悬停。悬停以后继续对地形，再次进行拍摄和判断，找一个比它自身面积大一点的地方，具备非常好的条件，慢慢地落下去。落下去靠它的四条支腿，这四条支腿也是特殊研制的一种新的材料，它这材料可以拉长很长也不会断，或者压缩很多也不会弯，然后靠它缓冲这个落地冲击的能量。当它落地之后，还要迅速把发动机关掉，这时候发动机还开着呢，如果不关的话，它就会顶起来。所以必须迅速把发动机关掉，整个所有的过程，全是探测器自主完成的。因为这个时候我们落的时候，大概和我们地面的通信时间有十几分钟，单程的有十几分钟（延时），所以咱们地面上的控制，根本就无法完成，只能是通过它自主来实现。在这之前，我们曾经尝试过火星的这个着陆吧。为了验证最后的这个过程，有一个着陆悬停试验，我们在河北的怀来建设了一个着陆综合试验场，建了一个100多米的高塔架。然后让它要把最后这100米的过程，完全在地面上演示、试验，给它各种工况让它充分验证到。我们通过短片去了解一下。
实际上，天问一号探测器一共搭载了三位“乘客”，环绕器上方是着陆巡视器，火星车在着陆巡视器的里面。我国首辆火星车命名为祝融号，祝融在中国传统文化中被尊为最早的火神，象征着我们的祖先用火照耀大地，带来光明。将首辆火星车命名为祝融，寓意点燃我国星际探测的火种，指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越。当着陆器将火星车送到火星之后，任务才刚刚开始，下一步究竟将会有哪些动作？落地以后，火星车就马上开始一系列的动作，它本身是收拢状态的，不是我们现在在图像上看，这个图像上看到的是展开的。它要把自己展开，先要把它的桅杆抬起来，然后它的导航相机打开，就是睁开眼睛，然后要把它的太阳翼打开，使它能够获取能源。因为能源是我们下面活动的基础，再一个要把它的天线展开。竖起来相当于竖起耳朵，张开嘴巴，能够跟地面通信，把它的一些信息传回来，落地的一些信息传回来。地面把指令发上去，然后要把这个平台上面的，相当于飞机的舷梯，要把这个坡道展开。还要给它下来建立好条件，然后要让它的车轮和平台解锁，之前它是锁定在一起的。然后要让车的悬架抬起来，它本身是折叠在里边的，所以要抬起来，相当于要舒展舒展筋骨，这样它才能做好这个着陆的准备。然后再用导航相机，要对周围的环境进行成像，把这个图像要传回地面，要给它制定走下来的策略。这是它开始要做的工作，大概八天以后才可以稳定地走下来。
火星环境对这个火星车具体有哪些影响？第一个是温度，我们讲它的白天最高是27（摄氏）度，晚上会降低到零下130（摄氏）度，它的一天跟地球的一天差不多长，所以一昼夜它就要经历这么一个极端环境的变化，温度的控制，不能让它太冷，什么办法呢？只有到了晚上，太阳下去之后，就需要给它保暖。保暖需要靠电能，所以我们火星车为了充分利用，有限的面积去获取更多的电能，我们看这次火星车跟月球车，有点不太一样，做成了一个蝴蝶形状，不是为了好看，是因为就着它这个形状，能够布置更多的太阳能电池片，使它能够获取更多的电能。为了进一步提高它获取能量的能力，我们针对火星的光谱，火星的光照条件和地球不太一样，我们针对它进行了改进的设计，使它能够达到最好的发电效率。还有一个，利用了一个叫做集热器的东西，这个能够直接储存太阳的热能，然后到了晚上再把这个热能释放出来，给它提供保温的条件，所以在温度应对低温情况下，做了很多的工作。
第二个方面就是沙尘，火星的这个天气条件，是更容易刮起沙尘暴，大概在2018年的时候，刮起了一场长达数个月全球性的沙尘暴。我们知道美国的机遇号，就在这次沙尘暴之后就失效了，就没挺过来。这个沙尘直接影响发电，因为它覆盖在太阳能电池板上，效率必然会降低。如果时间太长的话，就不能保证温度，那它就会被冻坏。为此太阳能电池片，也做了改进设计，专门研发了一种涂料，它能够像荷叶不容易粘水，荷叶上面我们看这个水一上去轱辘轱辘就滚走了。按照这个原理，设计了一层涂料涂附在电池片的表面，使这个灰尘很容易就滚落，做了这样的一些设计，使它能够更好地适应沙尘。第三个关注的是它的地形，火星上面布满了各种各样的砾石石头，它还有沙地。前一段时间美国公布了好奇号前一个火星车的图片，它那个轮子上面都有好大的洞，为什么呢？这就能看出来火星上的石头，比我们想象的更尖锐，更坚硬，跟那个洞都是被石头磨出来的。为此在这个车轮的设计上，还专门开发了又轻又更加耐磨的材料，来长时间可以保证它不会被磨坏。
再一个火星它有一种特殊的沙地，表面上看起来很硬，你觉得它是一块硬地，但是它很脆，这个重量一压上去扑通就下去了，然后就会陷到沙子里。因为我们汽车陷到沙子里，它很难走出来，为了提高这个脱困的能力，我们这个火星车提高越野的能力，设计了主动的悬架，有六个轮子，六个轮子都是单独驱动的六轮驱动，六轮转向。它可以横着走，它可以像虫子一样一拱一拱爬着走，这样它陷到沙坑里，它自己可以爬出来。我们这个火星车它的能力的提升，是为这个科学探测提供了非常好的一个平台，我们可以把这个科学探测作为一个周期来看。比如说我们三个火星日来做一次科学探测的周期，那么我们通常第一天，第一天我们去感知这个环境，就是类似我们冷眼去看一下周围先看看，这里面有哪个地方。对，对，先观光，先看看这个地方怎么样，那是用我们的相机来去看，相机和多光谱，把这数据传回到我们地面以后，科学家可以针对这个图像数据。来决定下一步任务。
下一步我感兴趣那个地方，第二天我们就开始把所有的科学载荷就开始工作了，这个科学载荷里面像比如说有磁场的，然后有这个成分的。我们有一个成分很有意思，就是说用激光打到这个岩石上面去，这岩石就会气化形成一个等离子体层，然后我们用光谱（分析仪）去看，就能够把这岩石里面的有什么元素，我们就可以把它反演出来。第三天的话，我们这个车不是要走嘛，得去下一个探测的地方，然后我们是可以把它的气象特征，我们车现在这地方风速多少，温度多少，风向怎么样，气压多少，我们有一个气象测量仪可以测。走的时候我们还有一个雷达，可以看看地底下有没有分层结构，下面是不是有可能存在可能的水冰等等这些东西，所以我们这个火星车，能够做很多的科学探测。说到这儿，我们来看相关的短片。
虽然火星的自然环境与地球相似，但对火星车来说，在火星表面的行走并不轻松。为了增强火星车适应各种地形地貌的能力，研究人员为火星车安装了自主感知环境系统，并对火星车的结构进行了改进，让火星车可以顺利开展探测工作。火星车的四个“翅膀”是太阳能电池板，专门为火星车提供能源。尾部是用来和地球取得联系的设备，不但能够获得动作指令，还能把探测到的资料传回地球。火星车还搭载了六种科学仪器，为完成火星表面巡视探测提供技术支撑。刚才两位都说到了火星车的耳朵，探测器的耳朵。也就是通信，如何进行通信，把这个信息传回到地球？火星车本身很小，它带的一个天线，只有36公分（厘米）大小。因为受到电力的限制，它功率也不能做得太大，和地面的通信只能做一些自己本身信息的传输。科学数据很大，比如说我们拍一张手机现在拍一张的照片，大概三、四兆，那么如果用火星车上的天线传下来，这一张照片传下来，就得两个多小时。所以这个远远不够用，所以我们又通过天上的环绕器来进行数据中继，环绕器上有一个2.5米的大天线，它的功率可以做到100瓦，它和地面两亿千米的距离，还能以每秒4兆的速度来传输，这个速度应该说是比较快的。我们通过短片来看一下。
成功着陆之后，火星车将从着陆巡视器上下来，开始它的探测任务。火星探测器分为环绕器和着陆巡视器。它们一个在天上，一个在地下开展探测作业，不仅可以看到火星的全貌，更可以分析火星的矿物质成分，探测地下10米的土壤成分，甚至100米深的冰层。对环绕器而言，着陆巡视器在火星表面正常开始工作后，它的工作还远没有结束。接下来，环绕器将为火星表面探测和地球的通信，担当中继卫星传送信号。而等到火星车3个月的工作计划结束后，环绕器还将继续长达一个火星年，相当于两个地球年的深度探测工作。把这个信息传回到地球，这里边存在什么样的难度呢？信号的强度是跟距离有关系的，当距离增加一倍的时候，它的这个功率密度就会变成四分之一。比如说地球到月球的距离最远是40万公里，地球到火星最远是4亿公里，距离增加了1000倍，那么它的信号的衰减就是100万倍。那么我们有什么手段去解决它，我们轨道器上这个天线，可以把它加大，把它功率搞大，但是这个都是受到限制的。因为我们要发上去不可能做的无限大，现在我们火星轨道器上的（天线）直径大概是两米五。
地面上如果我要做这么远距离的数据传输的话，有两种方案，一种方案就是提高我的接收时间，那怎么做呢？那就是全球布站，地球在自转的时候，我在任何一个点，我都能够和我们的探测器进行通信。这样的话，我就可以24小时不间断地（接）收数据，但是全球布站这个是不可能说无限制提高。好，我们还一个手段，就是我们在一个地方多建大天线。比如说我们现在火星探测，我们建了一个70米天线，然后再加上之前探月的有40米、50米，把这些天线加起来，叠加在一块，我们叫信号合成，就相当于一个“大锅”。然后来接收这个信号，把它所有的微弱信号都聚集在一块，合成在一起，这样的话提高我单个区域里面的数据接收能力，所以我们在2.5、2.8亿公里的这个距离，我们还能够实现4兆的码速率的传输。这什么概念？
我估计一张照片可能也就是几秒钟就能传回来，等于说我们中国航天的历史上做出的所有的努力和成果，在这一刻可能都要集体发挥作用了。对，是这样。我们这次任务目标，是环绕着陆、巡视一次做，这在国际上是首次采用这样的总体方案。实际上是基于我们国家60年航天的发展，基于我们地球卫星探月工程、载人航天各个重大工程技术，能够把它集成在一起来完成，所以我们有条件有能力来完成这么一个复杂的任务。今天，非常感谢两位来到我们演播室，跟我们共同来聊这个登陆火星的话题，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》！如果您想要了解我们更多的节目内容？可以下载央视频去收看我们过往的节目。好，我是胜春，咱们今天的节目就到这儿了，我们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
