圖片來自央視新聞
今天，“天問一號”火星車火星探測器高速進入火星大氣，成功降落，踏上火星表面。這是中國第一次派探測器降落到一個有大氣層的外星球，我們的星辰大海之路，又向前邁進了一大步。
“天問一號”的成功，意味着中國成為地球上第三個成功登陸火星的國家。
在火星上着陸，是對人類科學與工業能力的極限挑戰。這不僅僅是因為火星距離遙遠，也因為火星上有大氣。如果我們在月球着陸，可以認為整個過程是在真空裏飛行，沒有阻力、沒有風、沒有擾動，不需要考慮氣動加熱,當然也用不上降落傘。火星上不但有大氣，而且和地球上的大氣層完全不一樣。這就為着陸器的設計帶來了巨大的麻煩。
探測器在火星表面着陸需要經歷進入、下降和着陸過程，英文縮寫為EDL。EDL過程只有6到10分鐘，卻是整個探測任務中最關鍵、最危險的環節。包為民院士曾經對媒體表示：“火星探測最大的難點在於恐怖7分鐘。再入、下降與着陸過程中，要在7分鐘內將探測器的時速從2萬千米降低到0。”
除了“天問一號”之外，全世界一共嘗試過16次火星表面着陸，只有8次成功，其他都是在EDL環節出了問題。
在火星上EDL，頭號問題就是火星大氣。它帶來的麻煩可以簡單概括成三項。
首先是大氣密度，火星大氣的密度還不到地球的百分之一。所以氣動阻力比較小，着陸器的減速效果比較差。然後是風暴。火星大氣雖然稀薄，氣候卻很暴烈，經常發生高強度的風暴。因為人類對火星的認識還很有限，火星天氣預報還做不到，只能讓着陸器在飛行過程中隨時應變。第三，雖然火星大氣稀薄，但氣動加熱的問題還是很嚴重，防熱的工作一點都不輕鬆。
為了解決在火星大氣裏安全飛行的問題，美國和蘇聯在上世紀60年代就開始激波風洞的試驗。當然，噴進風洞裏的不是普通空氣，而是稀薄的二氧化碳，這樣才能模擬火星的環境。中國也在進入21世紀後，在有關風洞設施裏進行了類似的試驗，其中JF12號激波風洞的試驗結果已經公開發表。正因為有了風洞試驗的數據積累，航天科研人員才能設計出行之有效的着陸器和進入彈道。
既然有了大氣模型，就可以開展氣動設計了。如果對比火星進入器和普通載人飛船的外觀，可以發現火星進入器更扁平、大底的面積更大一些。這就意味着阻力更大，減速效果更好。
按照美國提供的數據，火星進入器在差不多45千米的高度接觸到火星大氣，這時候的速度是每小時一萬七千三百千米，妥妥的高超音速飛行器。防熱大底上的温度，最高可以達到1500攝氏度。雖然也就是持續幾分鐘的時間，但足夠嚴酷了。火星進入器也必須依靠燒蝕材料來保護自己。中國通過返回式衞星和載人航天工程，在燒蝕材料方面積累了足夠的經驗和技術，成為天問一號的重要基礎。
防熱大底要一直硬抗，直到速度降低到每小時6000千米左右，也就是每秒1700米上下。這個速度在地球大氣層裏是不能開降落傘的，但是因為火星大氣稀薄，所以可以開傘減速了。再慢一點，反而有可能開傘失敗。在降落傘的牽引下，着陸器的速度越來越慢，氣動加熱的問題也逐漸消失。到10千米左右的高度，要拋掉防熱大底，展開一個更大的降落傘繼續減速。當距離火星表面不到1千米的時候，把降落傘和上半個外殼也扔掉。着陸器自己向火星表面降落。
這時候，中國航天在嫦娥三號、四號、五號上積累的反推發動機着陸技術再次發威，着陸器像孫悟空的筋斗雲一樣慢慢下降，用相機加上人工智能判斷合適的着陸點。在一陣煙塵當中，“天問一號”就降落到了火星上。
“天問一號”的成功着陸，證明了我們國家的航天科學與工程能力真的已經踏入國際一流。更多的火星照片與火星科研成果將會陸續放出，好期待！
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