科学大家|星辰大海：天问一号的奔向火星之路

　　演讲者：孙泽洲

　　出品：新浪科技《科学大家》 墨子沙龙

　　孙泽洲：航天科技集团第五研究院研究员。作为我国深空探测航天器设计领域专家和学术带头人，长期致力于深空探测领域V N 2 4 _ O r研究和工程实践，历任嫦娥一号卫星副总设计师，嫦娥三号探测器总设计师，现任嫦娥四号探测\ P p I M X器总设计师、火星探测器总设计师。

　　内容整理自墨子沙龙“4 W R R }中国登陆火星！——天问之路”活动。

　　非常高兴能来到墨子沙龙，有机会1 w { F . 7 } I跟大家一起分享我们国家首次火星探测任务——“天问一号”任务。一提到火星F – ` D，我们总会感到既熟悉又陌生，大家也许会有一些问题：我们人类为什么要w p y f ] V去探测火星？为( q b Y @ T s什么热衷于火星的探测？

　　火星——行星探测第一站

　　首先我们要对T @ ( E \ z & O火星本身有一个简单的了解。火星是距离我们“很近”的一个星球，我们在地球上肉眼可以清晰地看到这个红色的星球。“近”是相对于浩瀚的宇宙而言，相对U l h J ^ L于地月距离，它又很远。每大概26个月就会出现一次火星f j r [ u h C ( \冲日，这个时候火星和地球运行到太阳的同一侧。在晴朗夜晚的天空，随着# Z O U l A z 6太G w p E 6阳的下山，火星会从地球的东方升起，所以人类很早就对火星进行了观测。

　　古代中国把火星称为荧惑，西方把火星比作战神Mars。由于古代人类对宇宙, 8 3 T Z D l 1 N认知程度和科技水平的限制，火星往往与战争和灾祸相联系，这其实\ h : A E u o ]对火星很不公平。随着科技的发展和认知水平的提升，我们发现火星这个近邻很可能会成为人类的第二个家园。因而，之后的人们对火星就不再有恐惧，更多的是一种向往。大家看到近现代的一些科幻小说、电影都含有火星元素，如《火星救援》等。

　　火星与地球有很大的相似性，太阳系内的行星从内往外依U 4 v q J Q Z次是：水星、金星、地球、火星……火星距离地球最近的时候（即刚才提到的火星冲日）大概是57 8 0 ?500万公里；最远时距离4亿公里，但如此遥远的距离相比宇宙K i N 4 f * j E的尺度也是很小。

　　从它的自然特性来讲，其公转周期687天接近地球的两年，同时因为它的自转轴与轨道周期面夹角大约为25度，与地球的23.5度接近，所以它也有四h h T . P 6季的变| r _ e化。它的自转周期跟地球S P | 2十分相近，是24小时37分钟，所以昼夜变化与3 u ^ j N地球上基本一致。而且火星有一层稀薄的二氧化碳大气，导致火星上有一定的温室效应，所以它的昼夜温差虽然比地球大，但相比月球却小很多。由于这些特性，火? / D B @ C星在我们现在认知的天体中更接近地球。因此_ @ V从事行星科学研究的科学家们认为，火星的演化与地球有很多的相似之处；但由于它的质量比较小，所以内部能量消耗得较快，更接近一个行星的晚期。火星的今天很可能就是地球的明天，所以从行星学研究的角度考虑，对火星有充分的认识可以帮助我们更好地了解地球的未来。

　　此外，因为火星跟地球很相P 3 1 3 ! { , ^ P似，大家就会想到火星是不是有可以为人类所利用的资源，例如水。现在的探测结果说明火星上有水存在的迹象，但水是否大量存在还有待我们继续探索，这也是现在对火星探测的一个重点和热点。

　　火星还有另外一些重要的整体特征。如因为它比地球小，J b Y Q @所以呈现低重力的特点，只有地球重力的3/8左右。因为它比地球离太阳更远，因此有弱光照、偏低温等特点。但其四季和昼夜的变化跟地球0 q o \ – !很相似。

　　我们现阶段对于火星的探测主要基于两个目标，一是从行星学的角度认识火星，以认识地球的未来；二是对火星资源进行探测，以期能对这些资源有一些新发现，未来能为我们所利用。比如未来人类是否能去火星并把火星做星际航行的\ & N 0一个中转站，是否存在能为我们所利; S { & Z T T用的资源？因此，我们要把航天器送到p l q j Q火星轨道、火星表面进行探测。

　　火星之旅，人类蹒跚起步

　　2020年可以说是火星探测的一个高潮年，我@ i 5 \ M M 9 u们国家的“天问一号”成功发射飞向火星，并在今年成功着陆火星\ E y。那么，我们人类对火星的探测经历了怎样的历程？

　　火星探测的历史还是很长的，早在1960年，在人类的第一颗人造卫星发射后不到三年的时间，人类就开始了奔往火星的征程。第一个吃螃蟹的是苏联W P [ R { { 9的“火星1A号”，但很可U 1 V p惜由于当时技术水平的限制，它最终并没有到达火星。但毋庸置疑，它开启了人类对火星探测的序幕。

　　人类首颗火星探测器——苏联“火星1A”（1960年10月10日）

　　接下来可以把从1960年开始到现在的火星探测任务，不太严格地分为三个阶段：第一个阶段是火星探J P – I ` }测的初期，这个阶段虽然没有取得很多成果但也非常重要；第二个阶段是相对沉寂的时期；第三个阶段，又一个高潮期。

　　我简单介绍下这三个阶段的基本情况。

　　第一个阶段是1960年到1976年，这个阶段里实施了23次任务，到目前为止一半左右的火星探测任务是在这个阶段实现的。首先是1964L \ T年美国的“水手四号”发射，[ L u p ^ Y1965年掠飞火星，与火星擦肩而过，近距离拍摄了火星的第一张照片。这在火星探测史上是一个很重要的$ | w / : h @ w L节点。到了1971年，“水手九p W z , : – T `号”成功实现了火星的环绕$ f T Q m z探测，并进行了更全面的遥感探测，绘制了85%火星区域的影像。“水手九号”在火星探测史上也是很重要的一个航天器，让人类对火星有了更进一步的认q ; j 0识。之后1976年的“海盗号”则更加Z U 1 \出名，是人类在火星表面着陆的第一个航天器。即在1976年，它实现了火星的环绕和着陆，更真切地看到了火星的形貌。到此为止火星探测的第一5 , R个阶段就告一段落了。

　　水手九号（1971年，美国）传回了7329张火星照片，绘制了火星85%的地图，分辨率为1–2千米

　　海盗号（1976年，美国）以探寻火星表面生命为目标，完成了环绕+着陆火星探测

　　第一阶段为什么要告一段落？因为此阶段的火星探测主要有两个国家参加：美国和苏联。他们围绕着谁第一个到达火A 1 9 5 i ; J G星、谁第一个着陆进行竞赛，这种K $ e竞赛成为了第一阶段火星探测的主要动力。但随着竞赛的第一名归属确定之后，接下来自然进入了一个没有驱动力的沉寂期。所以，1977年到1990年间基本没有火星探测的任务。仅苏联有两次对火星的“福波斯”（Phobos）探测任务，但最终也没有成R W H功。

　　福波斯二号（1988年，苏联）

　　从1991年到现在，火星又进入一个新9 | S l y的发展时期，参与的国家变多，发展的驱动力也变了。不以竞赛的第一名作为主要驱动，更多的是以技术的发展和科学的发现作为& m z i火星探测X M U o ! & % U ,的主要目标。这就回到了我们一开始讨论的“为什么要去探测火星”问题上来，回到了真正由技术和科学驱动牵引的道路上来。

　　在接下来30年的时间里，有了很多著名8 0 X y f d的火星航天器，如凤凰号、洞察V C #号等；在探测形式上也有了很大的拓展，由过去a / [ \ y x的仅着陆变成了着陆并在地面开展b g b w 5巡n p 6 X – = 9 $视，以美国的航天器为代表。在火星探测上美国一直走在最前面，是每个探测项q 7 W S b m b目的第一个完成者。如下图所示，1996年的索杰纳号在有限的小范围内o \ E实现了区域巡航；2003年发射的机遇号、勇气号，真正意义上实现了火星表面的巡视，巡视距离超过一个马拉松i z 6比赛的距离。机遇号的设计寿命虽x t X , q然只有三个月左右，但取$ w ! m得的成就相当不简单。此外，还有后来发射的好奇号。

　　勇气号、机遇号，好奇号

　　接下来就来到了2020年。火星探测发射窗口的周期是26个月左B – , K H右，2020年是个难得的探测机会，也是对于火星探测非常重要的一年。这一年有三个国家的航天器同期飞往X { # B火星：阿联酋的希望号，美国的毅力号，还有我们国家0 * O Y d U的天问一号。本来计划还有欧空局的ExoMars2020，但是由于一些原因被调整到2022年，否则2020年更加热闹。

　　非常值得庆贺的是，这三国的航天器都很好地完成了预定u { e的目标。阿联酋的希望号成功实现了火星的环绕，美国的毅力号实现了着陆和巡视，我们的天问一号一举同时实现了环绕、着陆和巡视三个目标，把2020年、2021年的火星探测又推向了一个高潮。

　　我们来回顾一下世界各国火星探测的整体w y ] 3 r历程。日本实现了掠飞2 . \ s u，欧空局、俄罗斯、印度、阿联酋实现了环绕，到目前为止成功实现着陆和巡视的国家只有中国和美国C M = ; 7 | o f。在深空探测领域（包括月球和火星），我们国1 { 4 B A家起步很晚，到本世纪初才开始从月球的深空探测——嫦娥系列起步，到2014年真正开始天问的技术工程研制。因为起步较晚，如果一步= z # & B A 6 4一步对美国追赶则显得太慢；而且随着现在的技术积累和发展，我们有相应的条件一举实现环绕和着! ` = % I ? 6陆、巡视* x 7 I # h 2 J。

　　从1964年一直到2003年，美国从第一次掠飞到真正意义上的巡视) 9 n 7 ^ f 0 +用了39年。我们的这一步迈的还是比较大的，探测形式上达到了目前人类Q v V T航天器对火星探测的最高水平。

　　天问长歌

　　点燃中国星际探测火种

　　对火星和火星探测有了基础的了解后，就来到今天的主题：我国的天问一号火星探测。首先简单的来了解一下我们的天问一号。

　　天问一号工程任务包含五个系统{ s 7：探测系统或s J 6 i I卫星系统，是飞行的主体；运载系统，要把卫星探测器送到预定轨道，即奔往火星的入口处；发射场，一个支持发射的地面设% B z * p / | | h施，比如海m j B南文昌发射场、四$ # y } :川西昌发射场，以及甘肃酒泉发射场等等；测控系统，航天器在轨飞行时需要A B ; d b F / v ^与地面建立联系并对其轨道、位置进行测量，因此需要一个地面Y M e测控站通过传输无线电信号，完1 U y ,成信息的交互和速度、距离的测量等；应用系l : y ) G h , b统，即对采得的科学数m q I P据进行接收、分析反演等。我主要负责探测器系统。

　　天问的探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成X C Q 9 t p。下图是探测器的分解图，下面是一个环绕器，上面是一个着陆巡视器，整个探测器重达五吨，在我们发射的所有航天器中算是一个大块头。它总共携带13台载荷，目前全部在轨运行良好，获得了大量的科学数[ Z R c U w R据。但这些数据还需要不断积累，希望能从中得到一些科学发现。这就是我们探测任务的基本情d Y 1 J C况。

　　我们的目标是什么？从工程角度来讲，要完成环R 2 5 6 % ?绕、着陆和巡视，此外还要X e Q K C , ! ^ D在地面建立起一套能支持我们未来深空探测发展的工程体系，其中包括地面实验设施的建造，计算方法、计算能力的提升，人才的引进，等等。所以一个航天任务工程，除了要把探测器打上天，也要在这个过程中积累、沉淀下来一些经验。

　　从科学的角度来讲，一共有五个主要任务。刚才提到13类载荷中，最热点的一个是对火星表面土壤特征和水冰分布进行调查。我们的火星车和环绕器都携带雷达，可以对浅层结构进行探测，观测浅层地下是否存在地下水。这是当今火星探测在科学上的重点，如果有了大量水的存在，就会把火星探测和利用又推向一个新的高潮。

　　接下来给大家简单介绍一下天问的研制过程。早在2 \ S & i G2007年，嫦娥一号成功环绕月球，我们就考虑能不能在嫦娥一号的基f r 4础$ / @ c f D $ /上，用比较短的时间实现火星的环绕探测。但出于两方面的限制，后来这个任务并没有启动实施：一是当时地面测控设备有限，二是飞行器上的通讯t 8 t z { 9、测控设备尚在使用模拟信号，因而通讯带宽难以做得很窄，灵敏度也不高，而地面又没有大天线、高功放，很难实现四亿公里的测控通信。

　　到2010年，嫦娥一号任务结束，嫦娥三号、嫦娥四号任务已经开展一段时间，此时大家得出共识，我们不能仅把目光停留在月球上，还要向更远的行星迈进。所以2010年把火星探测提到日程上来，又开始了新一轮的论证，但这个时候进展还是较慢。到了2014年，嫦娥三号成功着陆月球表面，我们的地外天体着陆技术又往前迈了一步，所以在2014年再( ( 7次提出要去火星。这也o W + }是论证的转折点：在2014年: 2 ( c u之前，我们连月球* _ 5都没着陆，不可能直接提及火星的着陆；2014年着陆月球之后，便开始了对火星的论证，由环绕变成了环绕、着陆加巡视，往前又跨一步。2# V C 8 v F + B014年开始，我们进入了准工程阶段，不仅做些纸面文章，还要做一些先期的关键技术攻关。所以S } : A n / x我们工程真正的起点在2014年，O ! % y直到i | ^2016年正式立项。

　　航天器的研制一般分为三个阶段：一是方案阶段，主要做设计，即论证它] 1 { _ N %应该是个什么样子，应该有怎样的指标。接下来初样阶段就是要把图纸变成现实，并对设计进行验证，考核其电磁性能和在各种环境的工作状态等，从力、热、空间环境等各个方面进行综合考核。最后是正样阶段，通过初样验证后正式确定了状态，到正样阶段就把它生产出来，进行测试、考核，最终送到太空，完成既定任务。

　　2014到2016年是方案阶段， 2016年到2018年是初样阶段，2018年到2020年是正样阶段，每个阶段都是两年左右的时间。研制过程中还遇到了很多困U % m ^难，虽然有月球探测的基础和经验，但火星探测的一些新特点还是给我们带来不T E s f ? @ p &少新的挑战。

　　到了2020年4月，我们进入海南文昌发射场，2020年7月23日，长征五号运载火箭把天问一号送到地火转移轨道。接下来就是一个漫长的旅程，从发射到真正着陆用了293天，其中去往火星的路上用了200天。2021年2月10号，| 8 o } J E !即农历的腊月廿九，天问一号成功到达火星并被捕获，成为我们国家第} U } q p C L _ &一个火星的人造卫星，在火星轨道又飞行了三个月的时间，共走了4.74亿f K 1 Z , v公里的路程。293天的魂牵梦萦，四亿公里的一路追寻，最终在5月15日、5月22日着陆和开始巡视。

　　天问一号的整个飞行轨迹如何？下图是俯瞰太阳系的视角，中间是太r z u } ? z阳，里圈轨道运行的是地球，外圈轨道运行的是火? p E m H 2 ; A星。由于地球运转的角速度和火星的角速度有差别，公转周期不同，所以在从地球到火星，要走的路线是浅蓝色的路线，而不是一条直线，类似于霍曼转移，这是在转移过程中能量消耗最小的f o |一个轨迹。这[ \ K e b就决定了发射时地球和火星固定的相对相位，而每26个月才会出现这样一个相对相位关系，所以每26个月才有一次发射5 h P _ T g的p G , Y 3机会。

　　接下来转移的过程，中间进行了多次的轨道调整，飞行过程很长且非常复U ) q 8 9 Q杂，修正和调整就n A N . t k为了它跟火星能够准确地交汇。

　　虽然卫星从发射到火星环绕历经四亿多公里，但这并不是任务中风险指数最高的环节，时间最短的火星进入过程反而是风险指数最高的环节。经过了将近300天的飞行，探测器开始进入着陆环节，着陆过程用时大概只有九分钟，却是所有过程中最惊心动魄的H p K | G 8九分钟。

　　火星大气的影响范围是125公里。进入后首先靠气动外形进行减速，之后是$ 1 5 p w伞系减速，在h 3 K L P这个过程中配平翼展开，然后弹伞A 2 # h n 3 i =，气动外形大底抛开。大底抛开后，h T i相关仪器可以测量相对火星表面的距离、速度等信息。在这个过程中有一个参考系的转换，之前的惯性导航将火星当成一个理想球，而此时可以直接相对表面测量飞行器的距离和速度，并得到绝对高度，而非相对理想球体的速度和高度。

　　在最后一到两公里时，把背罩抛掉，伞与飞行器分离。平台接下来只能依靠自身的发T W p 5 r J动d e _ { . 5机进行工作。动力减速过程中需要对障碍进行识h | f + ` I & $别和规避，最Q [ B ; = $ L _ T后着陆到火星的表面。这个过程风险指数最高，后面会提到其中的难点和解决的问题。着陆到火星表面之后旋梯展开（如下左图所示），祝融号驶离，右图是祝融号桅杆上的导航相机对自己的一个自拍。祝融号上面有一个太阳能集热器，这个车上另开有两个天窗，其作用在O ~ g 8 ^ X L后面也会提到。

　　B L b 7 U S v i下图是着陆后火星车和平台的合影实拍。火星车释放了一个小的无线照相机，拍摄之后照相机把信息传到火星车上，火星车再把信息传到环绕器上，最终传回地面。

　　祝融号在火星表面的探测分为三大任务。第9 c \ } ) d n s *一个任务是感知，在启动之前会对周围进行扫描，把周围的地形地貌通过相机的拍摄传到地面，地面可以根据这些信息建立起周围的三维影像结构，并规划车行走的路线。第二个任务是移动，车i N 9 ;根据地面的指令进行移动。第三个任务是探测，既在移动中进行科学探测，也在停止的时候进行。

　　其中移动有多种形式，一种是靠地面指定每一步的步长。同时也可以F b L o Y (不靠地面指定，只告诉它一个40米之内的目标点，它就可以边走边看边规划，# : K c + *自主移动到目标点。发现路径不合适，就会主动选择合适的路径去到达目标点。类似我们日常用到的导航软件会给你提供多种路线。

　　祝融号的智( i v l ^ 4 ( 6 M能性，K z g P ^ 9可谓是当今地外天体巡视器的最高水平，虽然和地球地面的无; } ) e人驾v ; – V @驶车辆相比还是有差距。这个差距来自两方面：第一，地球地面的情况和火星上的地形完全不一样，o f 7 } 4地球上自动驾驶可以利用公路的标志线等信息做辅助；第二，地面的计算# } Z ~ D y X机运算能力更强，t Q B 3 \ m u o e可以达到更高的智能程度。祝融号受限于各种因素，但也达到了相当高的水平。

　　这次火星探测，一次就实现了环绕、着陆和巡视三个目标，这样的成功并4 k + $ ; 4 c ` /不是偶然。严肃认真的论证历程，嫦娥探月工程带来的技术支撑等，都是成功的基础，加上团队的不懈努力，以及航天积淀下来的技术、物资、实验，还有精神财富，这些因素共同促成了天问任务的圆满成功。

　　天问解决了哪些“灵魂之问”

　　最后给大家介绍这一次任务过程中解决了哪些问题，面临了哪些挑战？一共有六个方面。

　　第一个还是测控通信I k j [ a A S的问题。如前文所提，2007年火星探测没有成行的一个很重要的原因是四亿i 8 o 8 _ Q b V公里的通讯瓶颈。四亿公里虽然在宇b ; ^ q 5 L e K宙尺度上是一个很近的距离/ 6 A V 6，但实际却很远。

　　给大家举一个例子，月球离地球38万公里，而火星最远的距离相当于1000倍的地月距离，因此地面发射的信号，在火星上接收到的强度是在月球的百万分之一，因为无线电传输的能量与距离的平方成反比。但f % } B Q L 2 i N随着近十年航天科技的发展，这件事情如今已不再困难。

　　具体是怎么来解决这个问题的？第一是地面设施的完备。下图是国家在武清建设的70m直径单口径天线，应该说还是非常壮观的。再有探测器上通信电子设备已经全部数字化，灵敏度较传统模拟设备提高显著。

　　另外还有一些我们独创的方案和智慧。火星车与地球地面R t l K p ] ; e通信受很多限制，因而其对地通信只能发个短信息，告h T e诉地面我很健康、现在能源充足等，仅包含几个简单的字。所有探测的数据，如对周围环境的感知、科学探测数据等，都要通过环绕器再传到地球地面，因为环绕器有更大口径的天线、更充足的太阳能、更高功率的发射机，可以提供更好的通+ F ( D p & ( 6信。

　　这次火星探测既要环绕，又要着陆、巡视，不仅要面对这三个任务单独带来的困难，也要面临这三个任务耦合在一起的困难，通讯就面临这个问题。美国已经有了在轨航天器作为信号中继，毅力号飞到火星直接着陆即可。已有的在轨航天器提前做好相位调整，可以给毅力号提供数据支持，数据传输可以有很多窗口。Y t 3 X d D但我们的天问P j P s一号不行，只有同期去的一个环绕器，一天只有一次数据传输机会，怎么办？我们就在^ C K e [频段上做了一些f W l U 9 \新的方案，除了现在回传采用的UHF天线之外，还把对地X频段复用成2Ge ! c 9 ?的中继通信频段，这样就可以把一个节点当成两个节点，甚至三个节点来使用。

　　解决了通信，接下来的一个问题就是如何安全度过魔鬼九分钟后还能够生存，并成功着陆在火星表面。探测器从进入火星大气到着陆的过程中，由于信号的20分钟时延，不可能靠地h o ? _ &球地面上0 : m q的手动干预来控制它的状态，而是要靠探测器自主完成。这个过程很复( 1 q B b杂，要m B ( #自主控制导航、弹伞、抛大底等一系N N n ^ d列过程。此外，还要考虑火星环境对探测器的影响，不管火星刮风、沙尘还是普通晴天，都要x 4 y _ ^ / } K /保证能够正常完成任务。

　　整个九分钟的过程大概分为四个阶段：气动减速段，伞系减速段，动力减速段，还有着陆缓冲段。98%的速度靠前两个阶段减速完成，后两个过程跟月s z c C B A .球着陆非常接近，在此不做详细叙述。

　　火星的大气提供了一个p H j Y B _很好的减速条件，只要做好气动外形和减速伞，接下来的减速过程就不需要消耗燃料，大气提供天然的减速作用力，而且还h ^ d S是个变减速的过程，速度越快减速效果越好，正好是所需要的性质。但是我们对火星大气并不熟悉，它总在变化，具有很大的不确定性，因此我们需要加强对这个过程的认知。

　　解决这个问题的思路是什么？我们决定要用较为先进、复杂的技术。尽管这会给我们/ W w ^的研制带来更多的困难，但能够, i . x / ` x ~对火h ; J i W _ {星的不确定性有r | l i t ! I &更好的容忍度。通过自己的努力，把不能把握的风险U % $降到最低，这是我们工作的原则和设计初衷。因此我们采用了弹道-升力式进入火星大气。

　　进入火星大气的方式有c u P @ x多种，一种是弹道式，这是一种基本不用控制自旋、姿态的方式，像子弹、炮弹一样进入大气；还有一种是弹道-升力式进入，要通过对滚动倾侧角的调整，使它产生一定大I ~ Z {小可i r #调的升力，并对航迹进行控制。a [ 2 : { ! J M弹道式进入没有调节能力，适应性差，但它的控制简单；弹道-升力式进入能做调节却控制复杂。把控制、推进系统做复杂，就U ~ & ^是为了对不确e n C ! / G ]定性能够有更好的容忍度。但是它还有一个问题，就是在控制升力的阶段，本体的轴线跟来流方向要不一样才行，这就是所谓的需要有一个配平攻角。而到开伞的时候，就希望来流方向跟轴线方向是一样的，即零攻角。而我们既然选择弹道-升力式进入，就要兼顾这两个过程的衔接。

　z 2 ( W –　该如何解决它？采用的方式如下图所示，气动外形外壳伸出来的部分就是配平翼，刚进入大气的时候它是收拢的，在气动段减速基本结束之后，把配平翼打开，靠机动力对它的姿态进行调整，把攻角调整回来，这样来流方向跟开伞方向就是一个方向，来减轻尾流对开伞的影响。这个方案只花了大概15公斤质量的代价，因为它更多是@ : L b 7 t靠气动& & ^ k d力来产生姿态的改变。

　　国外是怎g L o @ Q N么做的？美国在Z X c 82011年好奇号时才采用弹道-升力式进入，之前采用的都是弹道式进入。它的弹道式进入也要解决攻角调整N m Q – `的问题，但采用的是抛配重改变质心的方式，在开伞前抛掉100公斤左右的配重，质心调整回来，然后再依靠气动作用，最终轴线跟来流方向保持一致。这套系统花费100多公斤的代价，我们只花了这种方案的约1/10。这是在火星进入过程中，国际上第一次采用对气动外形Y { – O ,进行调整使其能够进行攻角^ } r w ^ q g K调整的方案，为火星进入的气动外形研究贡献了中国的智慧。

　　除了气动减速之外，还有一个伞系减速阶段。再入地球的飞船、卫星等也有伞，但这些伞基本上都是在亚音速下开展，为什么？因为和火星气动外形不同，它们的气动外形稳定性很c J N G F Q L ~ S好，不需要开伞来维持稳定性，所以不需要超音速开伞。而火星大气稀薄，要提高减速的能力，其外形就要设计成一个大盾体，考虑到这一外形的稳定性因素，就必须要在超音速下开伞。

　　因此就要用一个新型的伞，跟地球降落伞的形式不同，中间是个盘，并有一个镂空的缝儿，缝的下面有一条带，叫盘缝带伞，盘起阻力的作用，缝和带的配合起稳定作用。在超音速下开伞和伞降的稳定Z | y ) ] ? M + C性是需要保证的，所以新研了适用于火星大气的锯齿形盘缝带伞，在两马赫速度下开伞。因为地球地表的大气密度与火星不同，为了能够在地球上验证伞的性能Z t G ? !，就用火箭弹，o a b u % j . K即探空火箭，把伞和探测器的等重模型，发射到33` j v 5 ( % m公里的高度，这个高度的大气密度跟火星大气密度基本相同。正因为这样一个地面的验证，使我们对新型的伞有了更准确认识，伞– T – S o Q的整个的状态也非常好。

　　再有就是着陆的问题。着陆可以说是对于探月避障技术的延续和再应用，只是敏感距离有所区别。为了着陆更安全，在进n # – 2 i @ W入过程中要对着陆巡~ , 2 F B – | j视区进行成像。在高度一公里左右进% W 9 r M . R %行粗避障，即进行超过一9 9 g %米的大障碍的识别，目标是避开大的石块、坑等；然后100米高度在着陆区上方悬停，然后进行成像、障碍的识别，在继续下降过程中进行规避。

　　为此也做了很多的安全着陆J T + W : ( * z F的实验，在室外建立了地外综合模拟实验场，可\ h h x – R z f S以提供重力的模拟，把探测_ Z X器吊挂在上面，然后探测器自身靠发动机、地形敏感] P , i c e ~ 5、导航来进行控制。

　　着陆之5 L y后，在火星表面巡视又遇到哪s * \ N些困难？不知道大家怎么看，我和我的团队都觉得祝融号的设计是很h + – 6漂亮的，四片太阳翼展开之后非常像一只蝴蝶。

　　这只蝴蝶是怎么诞生的？并不是说一开始就要把它设计成一个蝴蝶，其实有任务的内在需求。因为火星距太阳比地球更远，又由于火星大气的衰减，所以在火星表面，太阳能只有月球表面或者地球大气层外光强的20%。靠太阳能作为唯一的能源时，它的弱光照就给我们带d ] u x e { o 8来一些困难，这就要求我们考虑怎么能更充分地利用太阳能，蝴蝶就是在这个背景下诞生的。

　　对于这个问题，做了将近三个月的论证，最终才破茧成蝶，成为现在蝴蝶的样子。直接的想法就是设计更大的太阳翼面积，这样在一定的光转化效率下，就可以固定更多的太阳能。所以一开始的设计很简单、面积很大，但受限于车体，设计就要往高度方向发展，把太阳翼的两片架| x & i D _ ; 5 p起来。但这样就有很多的问题，如没有很好的固定支撑. D x y G点、发射阶段响应很大，而且这个方向的高度给背罩空间的设计带来一些约束和困难。这种) / S *方案不行就做成多折，一边m o ] v )两片，沿着两个方向展开，但这个方案也有问题，一是太丑了，更关键] A Q 3 / 3 6的是沿车身方向太长，车从平台下降或做爬坡、越障时，M \ 9 I Y & 4 –后体的太阳翼很容易跟地面发生擦碰，所以这个方案也有问题。

　　再f . t Z ,有一种设计就是像扇9 E ! _ ? { g y子一样展开，这样可以把空间率提高。但是这里有个问题，展开以后每一片都不规则，而每个太阳能电池片都有一定的尺寸，这样的布片效率很低，虽然面积很大，但真正有效的、能放上去的电池片又很少，所以这个也被否定。这是有代表的三个，当然其他的还有很多，例如平展的扇子设计等h | z ( m p x W，后来都觉得并不理想。

　　四片长方A E Y 6 ( 7 O P ,形太阳翼

　　扇形折叠太阳翼

　　有个年轻的设计师提出了现在这样的设计方案，即一体的压紧。这四片太阳翼的尺寸完全一样，收拢时就是左图的状态，展开后如中图，而且这个面积相比刚才几种形式大很多，后体方向的长度也s ^ 9 \ v k ( g在可控范围内，不会出现跟平台或者是爬坡t p r & V d过程中跟地面擦碰的问题。大家一致认为这个方案很实用也9 @ } : u X很好看，最终确定了这个方案。

　　四展太阳翼方案

　　总之，现在大家看到的飞行成果、天问外形、技术方案，在整个方案和初样阶段，都经历了反反复复的研讨、验证，希望能够得到一个满足任务要求的整体最优解。

　　还有火星低温的特点，刚才提到太阳翼面很大，像一只蝴蝶一样可以获得更多的太阳能，在获得这些能量之后足够供设备供电、工作等等，但火星还有夜晚，火星的自转周期跟地球基本一致，24小时多37分钟，到夜晚的时候气# \ |温到达零下，G 1 , l不同纬度、不同季节的夜晚气温不同，最冷能达到零下100度。所以夜晚的能量获得、热量保温成为了问题。

　　我们采用了两种方式，一是保温，采用新型低重量纳米气凝胶隔热材料。热交换有三种方式，一是对流，在地球上的散热主要靠空气的对流；另外两个[ : e是热传导、热辐射。一般的卫星处于真空中，因而没有对流，主\ * x f F h ( p =要是传导、辐射。所以大家看到普通的卫星都是穿着金灿灿的多层隔热材料，这种材料只有在真空下才可以起5 ` B到很好的隔热效果。但是在火星上，因为有地s ` &球1%、不到1000帕的大气，多层隔热材料无法阻止火星大气对流，因而起不到隔热的效果。我们就采用了新型的隔热材料，叫纳米隔热气凝胶。这种材料很轻，轻到可以放到一朵花上（如下图）。它是一种多孔材料，因为孔径很小，空气在里面不会产生对流f ) T ) ( M 2 K，因此阻断了对流! 1 f p I : j ~的热交换。

　　纳米气溶胶隔热材料

　　这S d R K Y B ; 4 0是保温上的尝试，但无论怎么保温它还会漏热，还需要补充热能。怎么办？一开始我提到车上带了两b c C 3个天窗，就是太阳能集热器。它白天把热能收集起来，晚上把热能放出去，转换效– ` = g & b率可以达到80%，如果转换成电，电再转换成热，靠光伏发电这种方式，效率只能达到30%到35%。这就高效的利用了太阳能n ^ W U / Z ! A，满足火星车上的能源需求。这也是国际上在地外探测器上第一次采用这种高效利P i B用太阳能的集热器技术。通过有效、轻质的隔热材料保温和天窗的集热，现在祝融号在火星表面工作状态很好，夜晚的温度也很舒适。

　　太阳能集热器

　　另外，火星表面有沙尘的问题，火星上3 ^ N $全球性的沙尘时有发生，一旦出现沙尘，那就是暗无天日。在火星沙尘天气的情况下，太阳变得不可见。针对这样一个可能存在的极端条件，如何解决太阳能利用的问题？有两方面的处理，一是太阳能电池表面做了一些特殊处理，把沙尘的附着力降得很小，不太容易出现沙尘的积累；另外，通过太阳翼的运动抖落浮在表面的沙尘。

　　第二，如果真正的沙尘到来，好几天都见不到太阳。怎么办？储存的D . O电w q C (能、热能不足以支持正常的工作时，可以进行自主休眠，就像动物冬眠一样，等到太F V n阳升起来、天气变好了，再自主地唤醒。这是面对极端的天气，祝融号预留的一些应对手段，我们不期望它能够真正派上用场，但真正出现极端天气以后，还是7 A \ / q T A有办法度过危机。

　　最后一个是在火星表面巡视。探测器的车轮要跟火星表面的石块儿、土壤接触，接触的地面不像地球上平整的路面，探测器着z * q W | , f陆的区域基本类似于地E ^ )球的戈壁，而且火星表面石块非常坚硬。之前的火星车在火星表面遇见过许多困难，首先是车体出现一些沉– H + `陷，从车辙的痕迹看出M P _ 7 E X V F L有很明显的滑移，显示出沉陷度很大。另外还有坚硬的石块在行进过程中导致车轮破损，这都是前车之鉴。

　　火星车车轮破损

　　针对祝融号在火星表面进行巡视、探测中可能出现的故障，我们的绝招是什么？大家可以看下面几个小动画，第一个1 7 C ,是车体抬升，发射时处于收拢状态可以抬升，在火星表面过一些障碍C ` W的时候也可以使车体抬升，通过车体抬升和下降可以实现蠕动。这其实相当于一台装有主动悬架的车，即悬架不是随地形被X j a动改变，而是主动改变。这也是国际上第一个在地外天体巡视器上采用主动悬架移动的系统。它的好处是有更强的通过性和脱困能力，对车轮遇到的一些障碍，通过车体抬升、下沉、再抬升、再下沉，产生蠕动过程脱困。

　　火星车的六Y 0 d f个轮都可以独立转向、独立行进控制，所以它可以蟹行，就是车可以横着走。当进入一个障碍很多的区域时，就不需要转身，因C # a为原地转弯有转弯半径，它可以向任意方向行走。对于松软土壤它可以斜着爬坡，j { n H = s i类似于人爬坡走“之”字，` z u x .叠加上车辙的影响，它爬坡m m b ] a [ t能力会得到很大的提升。这样一个新型的移动系统更适合火星复杂的地形，此外这个车可以进行抬轮儿，增加了可用的探测场景。

　　针x R _对车轮容易破损的问题，我们采用了新型的铝基碳化硅材料，即W t F { n W T使车的所有重量集中在车轮的某个点，它的承压强度都可以满足要求，不会出现破损。所以我们相信祝融号能在路面很复杂、有很尖锐的火星石块的情况下，& 9 Q ( 4也有很好的, [ ; U移动性能。

　　最后展望一下未来，因为天问只是行星探测的第一步O k q e F，8 + s N c I g未( B Q来还有小天体的探测、火星的采样返回，以及木星系探测等。火星的采样返回目前人类的航天器还没有成功过，但我相信未来的五到十年，会有! & d / ] A 5人类的航天器实现这样的目标，我也相信我们国家的航天器是其中的一员。

　　我们的征程是星辰大海，希望未来的征程中能得到大家的支持和帮助，更期望未来的征程中有大家的参与。

　{ 4 E 0 D J U　演讲者：孙泽洲

　　整理：梁U 0 P ^ I v @ B政；审读：王佳

　　排版：猫撸火锅

　　本文转自“墨子沙龙”