广州日报|登陆火星须克服“黑色7分钟” 焦维新

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焦维新
2020年7月23日12时41分， “长征五号”遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场成功点火升空。
近日，航天专家、北京大学地球与空间科学学院教授焦维新接受广州日报全媒体采访人员专访，他详细介绍了我国“天问一号”探测器未来环绕、着陆、巡视火星时的很多技术环节以及其中的难点。焦维新表示，因为火星距离地球太远，飞行器届时将无法人为操控，只能按照已设定的程序进行操作，而飞行器着陆时更要经历“黑色7分钟” ，过往不少飞行器都在这7分钟里被损毁；此外巡视火星时，飞行器还要提防火星上的沙尘暴；而提到“移民火星”的说法，焦维新表示：“未来可以去火星旅游，但没必要去定居，因为要让火星适宜人类生存，至少需要改造800年~1000年，而地球上还有1/3的土地是沙漠，改造沙漠显然要比改造火星容易得多。 ”
文、图/广州日报全媒体采访人员武威
挺过“黑色7分钟”是关键
广州日报：“天问一号”已经成功发射，在前往火星的历程中，它还要经历怎样的挑战和困难？
焦维新：在飞行期间， “天问一号”不会遭遇什么困难，它只要根据预定的轨道飞行，假如它的位置与方向和之前的设定有一定差距，地面控制人员做几次轨道修正就可以了。
“天问一号”遇到的第一个难点将是切入火星轨道。当探测器到达火星附近时，速度是3km/s ，但火星轨道的逃逸速度是1km/s ，如果飞行器以这个速度靠近火星，火星的引力场就无法将它“捕获” ，它在火星附近拐个弯就跑太阳系里去了。这时，它就要调转180° ，利用发动机反方向点火减速，时间约是20~30分钟，之后它才能被火星引力“捕获” 。这一操作的难点在于，探测器当时和地球相差1亿多公里，而通信的单程时间就要10多分钟，操作时还在火星的背面，因此人们不能通过地面指令对它进行遥控，只能依靠飞行器原本设定的程序来操作。之前日本的火星探测器在这个阶段时没控制好，探索就以失败告终。
这一关过后， “天问一号”就将变成火星的卫星了。但一开始，它的轨道离火星还比较远，不太适合进行科学探测，这时就可以开动发动机，进行轨道机动，降低探测器的高度，但这种方式会消耗燃料，这对已经长途跋涉的飞行器来说并不可行；另一种方法则是利用火星的大气阻力，让探测器逐渐减速，一点点接近到可以进行科学探测的高度。
这一高度达到后，飞行器就要开始寻找合适的着陆点，抛出着陆器。尽管火星大气层比较稀薄，但着陆器的速度比较快，还是会和火星大气摩擦生热，让着陆器表面像一团火，一般着陆器前面有一个热屏蔽层用来隔热，等到速度降下来后，热屏蔽层就被抛掉，打开降落伞减速。尽管火星空气稀薄，但因为降落伞比较大，对减速还是起到很大的作用的。当速度降低到一定程度时，降落伞也将脱落，这时着陆器的反冲发动机点火，让速度进一步减低，并悬停在空中一段时间，其间观察着陆点是否适合着陆，查看是否有大的陨石坑和岩石，如果有，就让着陆器平行移动，躲开这些障碍物再进行下落。
当着陆器最后与火星地面接触时，依靠着4条有弹性的“腿” ，能起到一定的缓冲作用。从把着陆器抛射出来到着陆器着陆，时间为7分钟，这被科学家们称为“黑色7分钟” ，也将是“天问一号”最惊险的一段旅程。此前欧洲空间局发射的两个火星探测器，两个火星车都在这7分钟的着陆过程中失败了，因为着陆对技术的要求非常高，从地球传信号到着陆器要10多分钟，远大于7分钟的着陆时间，因此在地球的工作人员无法操控，只能依靠着陆器自身设定的程序。