【材制·视角】重航空，软着陆——聊聊天问一号的着陆方式

八卦谈佚名 ▪ 2023-10-10 20:33:17

初原载于爱学习的青春材制 2021-05-07
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上回书说到，我们的天问一号即将在5月至6月间择机降落火星表面。在这之前，我国嫦娥五号已经成功地从月球表面带回月壤。某种程度上说，对于地外天体着陆，我们还是有一定基础的，只不过这次面对的是另一个挑战——降落火星表面。

北京时间2020年7月23日12时4分，在中国文昌航天发射场，长征五号遥四运载火箭将“天问一号”探测器送往茫茫太空。

　　从此，“天问”系列踏上了实现火星“绕、落、回”火星勘测任务的征程，那今天，我们就重点给大家介绍一下天问一号的着陆。

　　在天问一号去往火星之前，我们曾成功使我们的探测器登上了月球并成功返回地球，可是登录火星既不同于月球，也不同于地球，火星有一层比地球厚但比月球薄的大气层，所以对于火星探测器的设计和制造标准，我们没有任何可以借鉴的经验和规律。但即使在这样的环境下，但经过了十几年的不懈努力，我们终于找到了属于我们的方法。

　　火星探测器的着陆要求探测器在短时间内速度从4.8km/s降到0，在这个过程中，地面无法对着陆装置进行任何操作，也得不到关于探测器的任何信息。如果超过预计时间地球还没有表示着陆成功的信号发回地球，就意味着这一次的着陆失败了。因此，火星探测器的着陆是至关重要的。

　　火星探测器有三种比较典型的着陆方式，气囊弹跳式、反推着陆腿式和空中起重机式，这三种方式的难易程度、成本、技术要求和可满足着陆要求的探测器的大小从前往后递增，其中我们的天问一号所采用的着陆方式为第二种：反推着陆腿式。

气囊弹跳式着陆

顾名思义，这种着陆方式利用气囊来缓解着陆到火星地表所带来的冲击。探测器为正四面体构型。着陆器在与轨道器分离进入火星大气层后，先依靠气动外形进行减速，当在降落伞接近地面时隔热舱释放探测器，同时安全气囊充气包裹探测器。

经多次反弹最终完全落地后，气囊放气收缩并紧贴探测器壁板。这时，如果着地的是探测器的底板就直接通过电机驱动三块侧板展开，而入如果是侧板着地则打开着地的侧板来扶正探测器。

反推着陆腿式着陆

这也是我国天问一号所采用的降落方式。着陆时的减速过程可以分为四个阶段：

一、气动减速段

　　在这一阶段，着陆器进入大气层，和大气层摩擦的过程中产生大量的热，同时自身速度减小。用时290s使速度降低到460m/s左右时，打开降落伞，进入第二阶段。

二、伞系减速段

　　打开降落伞后继续减速，用时90s，使着陆器速度减小到95m/s时，抛弃降落伞和热屏蔽障。

三、动力减速段

　　在这个阶段，反推发动机点火开始工作，用时80s，探测器减速至3.6m/s，进入最后一个阶段。

四、着陆缓冲段

　　在这一阶段，着陆器速度减小到0，探测器在距地面100米左右的位置悬停，地面进行观察，为选定着陆点做最后的准备，确保落地安全性。

空中起动机式

也叫空中吊车技术，目前只有美国的“好奇号”采用了这种技术。这种方案将着陆器分为两部分，上部分是有载有反推火箭的空中吊车，将火星车保护在其中心。在脱离降落伞和隔热层后，着陆器通过反推继续减速、观察地面地形，悬停，火星车被释放且悬挂并通过悬挂的尼龙绳和电缆向空中吊车报告实时状态以便于空中吊车进行精细的微调，当空中吊车感应到火星车稳定接触火星地表后，尼龙绳和电缆瞬间被切断，空中吊车飞至离火星车尽可能远的地方坠毁。

　　原中央顾问委员会委员、中央组织部原副部长李锐同志早在1992就在《中国机械工程》期刊上提及到宇宙探索和我们机械工程的紧密联系“人造卫星不只是电气与电子技术的成果,它与机械工程的关系也是十分密切的。今后的宇宙开发,还要建立大型空间站等,很多技术有待机械工程领域来解决。”机械工程甚至在未来会成为宇宙勘测的重要基石之一。

　　“预期下一轮的产业革命将从宇宙开发而引发。机械工程领域有很多间题,机械学会要适应新领域的技术要求教育方面也要重视宇宙工程学学科的发展，设置学部或学科。”诚如是，而当我们如今身处这样的教育环境和学科专业中时，我们应该更加珍惜这种可以强化自己，助力祖国的机会，认真的，深度的学习这个承载着国家产业革命未来的专业。

参考：

　　腾讯网｜探测火星有多难？8分钟减速2万公里！天问一号仍需面临3次考验作者：端平入洛

　　腾讯新闻｜天问一号和毅力号为什么选完全不同的火星着陆技术？-太空精酿

　　中国知网｜[1]高滨.火星探测器着陆技术[J].航天返回与遥感,2009,30(01):1-9+20.

　　百度文库｜气囊式火星软着陆探测器结构机构技术初探挥卫东, 咸奎成 , 彭福军上海宇航系统工程研究所 , 上海 , 2001108 百度文库上传者bai_jiangbo

　　B站｜【火星探测】火星探测器的几种软着陆方式 BV1gA411v7vL up：-LCspace-

　　B站｜天问一号火星探测器将如何度过“恐怖的7分钟”？BV1Tt4y1X7uY up：不锈钢火箭

　　B站｜天问一号即将着陆火星，能抗住“魔鬼7分钟”的考验吗？BV1RK4y1p7D8 up：焦维新