火星探测器“天问一号”成功着陆火星

在给大家讲解这个新闻之前，我先带着大家了解以下这次火星任务过程中，经常出现的设备名词。

首先是长征五号遥四运载火箭，这是将天问一号探测器发射到太空，并且将探测器送入地火转移轨道。此时，天问一号探测器就“装”在长征五号火箭顶部的整流罩内。

而“天问一号”探测器也分为不同的部分——天问一号环绕器和天问一号着陆器。在准备着陆火星之前，环绕器和着陆器是合二为一的，而当准备着陆火星的时候，环绕器和着陆器分离。为什么要将他们两个分开来呢？这是因为着陆器拥有隔热大底，降落伞和反推火箭等各种着陆装置，具备抵御进入火星大气层摩擦产生的高温，减速缓冲等着陆必备的功能；而环绕器不仅能在接下来的时间里继续对火星展开在轨观测，还能充当地面探测器的中继卫星——也就是在火星的“基站”。

着陆火星后，天问一号着陆器将会释放出其内部的火星车“祝融号”，这样，最终在火星表面将会有两个平台，也就是固定的天问一号着陆器和移动平台“祝融号”火星车。

从技术上看，这次着陆也可谓是历经千难万险。由于火星距离地球十分遥远，最近也有5500万公里，最远更是达到了2亿公里，而信号的传播速度——光速只有30万公里/秒，这也就意味着在着陆火星的过程中，地面人员无法实施操纵。因此，不论国内还是国外，大家都将探测器着陆火星所经历的这段时间称为“恐怖七分钟”

为了保证火星着陆巡视器能安全、平稳地着陆在火星上，科学家为其设计了四个关键步骤：

第一步，气动外形减速。使其在进入火星稀薄的大气时，能产生足够大的阻力，并且还不会翻车、乱撞、倒向飞行。

第二步，降落伞减速。着陆巡视器配备了一个全自动的降落伞，在减速到一定程度时，它会自动打开。

第三步，动力减速。着陆巡视器携带的发动机会在合适的时机在运动的反方向启动，对其自己产生反推力，从而达到减速的目的。

第四步，当运行到距离火星表面100米左右时，着陆巡视器的速度要减到相对为零，进入悬停状态，利用探测器所携带的相关仪器设备，对下方的着陆区进行选择，尽量寻找一个相对安全的地方着陆下去。

大概在北京时间5月15日的凌晨4点钟，祝融号就和天问一号分离了。几个小时以后才进入了火星大气比较稠密的部分，高度是125公里。这个时候祝融号的速度是4.8公里每秒。降落到火星上的这个物理过程就是要把祝融号的动能和势能全部消耗光，最后速度和高度都变成0。根据动能定理，90%的能量是靠火星稀薄的大气层来消耗的。

火星大气和祝融号摩擦会造成严重发热，所以祝融号必须有一个防热大底在前边顶着。等到了10公里的高度，速度已经下降到了460米/秒，这时候防热大底就可以抛弃了，火星车就露了出来，顶上弹出降落伞来减速。

火星上的空气非常稀薄，因此音速也很低，大概只有240米/秒。所以，即便是祝融号的速度降低到460米/秒，也相当于两倍音速。在超音速状态下开伞，这是一个前所未有的难题。好在我国有各种尺寸的超音速风洞。而且还用探空火箭在地面上充分测试过超音速状态下降落伞的开伞。所以，这一次祝融号在火星大气层里成功地打开了降落伞，把速度从460米/秒降低到了90米/秒。

但是这个速度仍然太快，因此，最后底部的7500牛顿变推力发动机开启反推。降落伞被抛弃，祝融号开启了最后的降落过程。

当距离火星表面还有100米的时候，祝融号需要悬停在空中，开启地形探测设备，找一块合适的地方降落。为了保持姿态，周边的小发动机在在不断地喷气调整姿态。探测器和发动机的配合不能有一点误差，否则最后一步要是摔了，那可就前功尽弃。欧洲的小猎兔犬号就是如此，探测器最后一步摔坏了，没了信号。美国人的海盗二号也差点出事儿，最后一只脚踩到一块大石头，整个机身倾斜了8.2度。前人犯过的错误，我们当然是加倍小心，千万不能再犯。

最后就是祝融号缓缓下降，安全降落到火星表面。这就是祝融号惊心动魄的9分钟。相关的测控数据要再过18分钟才能发到地球上。要知道现在火星离我们有3亿公里的距离，即便是光速，跑起来也要这么长时间。所以，地面完全无法操控，过程又复杂，有一半的探测器没能成功着陆，火星堪称是探测器的坟场。

NASA“火星直升机”第六次起飞

我们继续关注火星上的新闻。

在之前的《未来科学》栏目中，我们已经提到了NASA的“机智号”火星直升机完成了三次飞行，事实上，在2021年4月19日至5月8日，机智号在二十天时间里顺利进行了五次飞行试验，难度层层加码，轻松完成既定试验目标。与此同时，毅力号火星车在一旁记录下机智号的飞行表演。

让我们再来回顾一下机智号此前的五次试飞：

第一飞：北京时间2021年4月19日15:34，攀升到3米高度，悬停一会便降落着陆，全程仅持续39.1秒；

第二飞：北京时间2021年4月22日17:33，攀升到5米高度，轻微倾斜身姿，向东和向后飞行2米，共计在空中飞行了51.9秒，期间还进行了三次转向，总共转动276度；

第三飞：北京时间2021年4月25日16:31，攀升到5米高度，来回飞行了100米，最大速度达到2米/秒，全程持续约80秒；

第四飞：2021年4月30日22:46，攀升到5米高度，向南飞行133米并折返着陆，本次飞行里程266米，飞行时长117秒，均创造了新纪录；

第五飞：北京时间2021年5月8日3:26，攀升到5米高度，然后沿着第四飞的路线向南飞行129米，这一次它没有折返，而是创纪录地攀升到10米高度，对该区域进行拍摄后就地着陆，飞行总时长约108秒。

在第六飞中，机智号将一口气攀升到10米高度，然后向西南飞行约150米，再向南飞行15-20米，同时拍摄感兴趣区域的彩色图像，完成图像采集后向东北飞行约50米，最终在“新机场”降落。本次飞行将继续扩大机智号性能测试，预计最高地速4米/秒，飞行时间约140秒。

在这次飞行中，还有一个新的消息，那就是机智号本次飞行着陆的新机场并非来自它之前的空中勘测，而是根据火星勘测轨道飞行器的高分辨率成像科学设备（HiRISE）拍摄的图像进行选择。通常，地面设备的成像精度都会大于空中勘测，这也意味着研究人员可以根据“机智号”火星车和火星地面平台的数据决定新的飞行计划，而不一定要完全依赖之前的数据。

未来可期：土卫六上的直升机科考，NASA“蜻蜓”项目获通过

       2019 年 6 月 27 日，NASA 宣布从“新疆域”项目中挑选了一个名为“蜻蜓号”的新任务。他们计划于 2026 年发射，在 2034 年把蜻蜓号飞行探测器送上泰坦星的上空。

        和充满无机物的火星不同，土卫六泰坦的世界一直是有机化学的混合，满是复杂分子的混合物，例如甲烷，胺类等等。更令人激动的是，土卫六还存在雷电，甲烷雨等天气现象，存在甲烷组成的河流，湖泊和海洋。

蜻蜓号的首席研究员伊丽莎白·特特尔（Elizabeth Turtle）是约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的行星科学家。她表示：

我们知道泰坦拥有生命所需的所有成分。那么产生生命的化学反应在一个拥有所有成分的环境中能进行到哪里呢？泰坦一直在进行着化学实验，时间长达数亿甚至数十亿年。我们想要做的就是去了解那些实验的结果。

        从技术上讲，蜻蜓号将是一个双四轴飞行器，或者是一架八轴飞行器，拥有两组四个转子，可以将它送达泰坦上的各种地质区域 。当然，任务的具体飞行计划目前只是初步有了个轮廓。蜻蜓号配备了一套用于检测复杂有机物和生物印记的科学仪器，这套仪器还将具有测量泰坦表面下地震活动的能力，为探索泰坦隐藏着的液体海洋打开了一个窗口。

        值得注意的是，与火星直升机只能飞起来拍拍照不同，“蜻蜓”兼具表面探测器和飞行器的功能。其大部分时间仍将停留在土卫六表面，开展地表成分取样检测、化学分析、地质活动监测等工作。短时间飞行的目的是变化探测地点，研究不同时间、不同区域、不同高度的大气状况，同时拍摄土卫六表面地质、环境等航空影像，并为未来探测器寻找合适的着陆点。

        此外，根据已经公开的信息，考虑到土卫六距离太阳十分遥远，太阳辐射很可能无法提供足够的电能，“蜻蜓”计划所使用的直升机很可能是一个核动力直升机，装备有核电池。