5月15日，“天问一号”着陆器成功登陆火星。这是我国首次地外行星着陆，是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

为着陆火星保驾护航，这辆星际“专车”了不得

火星探测器“天问一号”包括环绕器和着陆巡视器两部分，为实现着陆巡视器准确进入火星着陆轨道，环绕器先在携带着陆巡视器的情况下控制到撞击火星的轨道，实施两器分离，然后迅速抬升轨道，而着陆巡视器则进入火星大气层。

图源：中国航天科技集团五院、八院联合制作

环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”，需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等系列动作。

然而环绕器又不仅仅是一辆星际“专车”，它还是一座功能强大的通信“中继站”，为火星表面巡视器与地球搭建通讯桥梁，肩负对火星表面进行遥感探测的任务，同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球。在距离地球2.93亿公里的轨道上准确指向地球，相当于要在2米开外瞄准绣花针孔，而且要在环绕器自身飞行运动情况下，时刻保持瞄准状态。

设计师们还设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通讯链路中断，探测器就会“自主慢旋”，并在这一过程中，使天线扫到地球，进而恢复通讯链路。

着陆前：是TA！守护天问一号度过“恐怖9分钟”

着陆器高速进入火星大气层，与大气层摩擦后，着陆器表面温度急剧升高，如同一颗流星经历高温灼烤。着陆防热技术是保证探测器安全着陆的关键，直接关系任务成败。

为此，“天问一号”着陆器防热技术的主要研制单位——中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所量体裁衣设计研制了三种材料：在气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位采用了超轻质的蜂窝增强烧蚀防热材料；在需要维持探测器整体形状的上、下边缘和结构支撑部位采用了连续纤维增强中密度防热材料；在气动加热较为缓和的背罩部位喷涂了大面积防热涂层材料，三种材料协同作战守护“天问一号”安全着陆，探访神秘火星。

超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料

密度更低防热效率更高

蜂窝增强轻质烧蚀防热材料是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”号载人飞船、月地高速再入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中，蜂窝增强轻质烧蚀防热材料都发挥了热防护的关键作用。

此次火星探测器上采用的是经配方优化设计的新型超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料。

超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料

此材料密度更低、防热效率更高，并且可以根据承受的气动载荷分布进行变厚度优化设计，在保证探测器拐角部位能够耐受更严苛的气动载荷的情况下，让整个结构的材料更加轻质化。同时，探测器大底结构具有非常好的整体性，确保在奔向火星过程中，即使承受高低温交变，也能保证结构的可靠性。

连续纤维增强中密度防热材料

兼顾耐烧蚀和承载能力

由于火星距离地球较远，为使运载火箭推送得更远，“天问一号”不能过重，需要尽可能“压榨”防热结构及材料重量。除了超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，团队还研制了连续纤维增强中密度防热结构一体化材料，既能满足结构要求，又具备轻质特点。

该材料主要用于探测器大底及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件，相比较低密度材料，其强度更高，密度约为0.9克/立方厘米，兼顾了耐烧蚀和承载能力。该材料使用了三元长纤维组成的SPQ纤维布增强体系，并将轻质填料引入到连续纤维增强的预浸料中，实现了对传统连续纤维增强烧蚀防热材料的轻质化。

超轻质烧蚀防热涂层材料

隔热性能优良

航天材料及工艺研究所研制出超低密度防热涂层材料，密度仅为0.28克/立方厘米左右，热导率低至约0.06瓦每米开，不仅隔热性能优良，也能给着陆器减重。

超轻质烧蚀防热涂层材料

探测器飞向火星的时间长达8个月，由于轨道以及距离太阳远近的变化，防热材料还要承受极低的温度以及高低温度循环交变，“冰火两重天”很容易导致材料出现开裂、脱落等灾难性问题。在这样的恶劣条件下，三种防热材料和结构需要与着陆器的内部结构保持良好的结构热匹配性和完整性。

安全着陆：最后一脚“稳准精”的刹车，这台发动机功不可没

液体火箭发动机提供反推力，助力实施最后的减速

探测器要想成功着陆火星需要在短短9分钟时间内将两万多公里时速降为零，其间需要经历气动减速、降落伞减速、动力减速、着陆缓冲等多个环节。经过一系列减速措施，“天问一号”来到距离火星表面约2公里处，以约100米/秒的速度不断接近火星表面，而由航天科技集团第六研究院研制的7500N变推力发动机就是最后动力减速环节的主要工具。

图源：中国航天科技集团

为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求，并提升发动机性能，研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧室从以往的低室压方案改进为中室压方案，从而保证了相同推力情况下，发动机体积更小、性能更高。加上不断创新和优化生产工艺，有效实现了推进分系统的轻质化需求。

长距离轻刹车

火星离地球实在太远，在地球上，最多0.13秒能实现任意两点通讯，但当“天问一号”需要在火星着陆时，火星与地球的距离为3亿千米，完成一次通讯需要30分钟。也就是说，信号还没跑到地球，探测器已经“收工”了。对于身在遥远异乡的小家伙，这一段路得自己操心，每一次推力的变化必须非常迅速、精准，发动机需要很“听话”。

降落过程中，雷达等探测设备会像眼睛一样盯着火星地面，测量巡视器距离地面高度等参数，这些参数进入GNC系统，由这个睿智的“大脑”计算出对发动机的推力要求。发动机会按照预设的时序和实时的指令完成变推力调节，让着陆巡视器慢下来，最后以很低的速度稳稳落在火星表面。

火星表面有一层稀薄的大气，降落过程中，着陆器与火星表面的大气会剧烈摩擦，为防止被“烧糊”，着陆器上还增加了一个防热大底，“天问一号”探测器变推力发动机的高度比“嫦娥三号”探测器变推力发动机缩小超60%，然而推力等主要性能指标却保持不变，“小个子”要爆发出“大能量”。

与地面建立联系：“天问一号”与地球联系，这个“网”少不了

着陆巡视器在“落火”过程中如何与地面建立联系？地面如何了解着陆过程中的遥测数据？航天科技集团五院西安分院为火星探测器研制的测控数传分系统搭建了地球与着陆巡视器、环绕器及“祝融”号火星车之间的信息传输链路，为我国首次火星探测任务贡献重要力量。

图源：中国航天科技集团五院、八院联合制作

着陆数据“不掉线”

“天问一号”火星探测器由环绕器与着陆巡视器构成，“祝融”号火星车置于着陆巡视器的进入舱上。当火星探测器进入“落火”阶段后，环绕器会和着陆巡视器分离，由着陆巡视器单独下落。此时地面要想了解着陆巡视器在下落过程中的遥测数据，就需要依靠进入舱与环绕器间的UHF频段双向通信链路。

‘落火’比‘落月’相对地球的距离更加遥远，火星表面环境相对月球表面环境更加复杂，难度更大，因此火星探测器在进入、下降、着陆过程中的遥测十分关键。

西安分院研制的测控数传分系统包括了UHF频段收发信机和X频段深空应答机等关键设备，是“天问一号”火星探测器的关键分系统之一，也保障着整个“落火”过程的信息传输持续在线。

安装在环绕器上的X频段深空应答机建立了环绕器与地面的通信链路，安装在着陆巡视器中进入舱上的UHF频段收发信机是建立与环绕器之间通信的关键，安装在“祝融”号火星车上的UHF频段收发信机和X频段深空应答机等产品建立了与环绕器的中继通信及对地通信。

这些通信链路共同在地球与火星之间构成了一个立体通信网络，让环绕器在环绕过程始终与地面保持测控通信，并在着陆巡视器下降着陆过程以及抵达火星表面后与环绕器开展中继通信、与地面开展测控通信。

测控数传分系统需克服多方困难

从开机到任务完成，火星探测器测控数传分系统一直保持工作状态，还需根据飞行距离切换不同模式、实现不同功能，加上考虑太空恶劣的环境及航天各系统互相配合，使得测控数传产品的指标极其苛刻，需要克服空间损耗大等困难。按照总体要求，测控数传分系统需要大幅减重，这就需要尽量将火星探测器上的产品小型化、集成化。

为解决这一难题，西安分院研制团队将一个功能类似于分系统的UHF频段收发信机，压缩至一台重量为2公斤左右、体积仅为一个单机大小的产品。这台单机融合了数字处理、电源、通道、固放、双工器和开关等分机，具有高度集成化和小型化。（文据科技日报）

版面编辑：朱书婉

责任编辑：何静