至此，作為中國發射的第壹顆火星探測器，“田文壹號”壹次性完成了火星探測的三個技術步驟。這三步分別是繞火星軌道、著陸和巡視，即進入火星軌道、在火星表面著陸和火星車在表面行走和巡視。為什麽中國航天局在首次火星探測器著陸任務中成功打破了所謂的“火星詛咒”？朱榮著陸涉及的各種航天技術是如何發展的？
由於地球與火星的距離極遠，火星表面環境非常復雜，探索火星的旅程從壹開始就異常艱難。迄今為止，人類探測器探索火星的成功率只有50%，火星表面著陸任務的成功率也只有40%左右。因此，火星探測任務壹直被稱為“火星詛咒”。在中國的“祝融”號之前，只有美國能夠將火星車安全發射到火星表面，前蘇聯、俄羅斯和歐洲的任務都沒有成功。為了實現火星探測的入軌、著陸和探測任務，中國需要多項關鍵技術，包括但不限於:全球深空探測網絡、重型火箭發射和衛星軌道控制能力、航天器大氣層再入和自主軟著陸技術。
深空測控壹般是指利用地面的無線電信號，對飛向月球及更遠的衛星進行跟蹤、遙測和遙控。壹個國家要實現全球深空探測網，不僅需要在本國境內建立衛星監測站，還需要尋求國際合作，實現全空間覆蓋。作為火星探測的先驅之壹，美國在自己的領土上建立了自己的監測站，在西班牙和澳大利亞也建立了深空探測設施，並在毅力號探測器的飛行和著陸過程中與歐洲航天局的深空跟蹤網進行了合作。
相比之下，中國的深空探測網起步較晚，但起點很高。自20世紀以來，中國已建立或完善了7個中國空間探測網絡，最大直徑達70米。它們分布在全國各地，以確保盡可能廣泛的空域覆蓋。其中，2012年底Xi衛星TT&C中心在新疆投入使用的喀什深空TT&C站和佳木斯深空TT&C站，圓滿完成了中國月球車和月球采樣返回計劃，即“嫦娥探月工程”。
2065438+2005年7月，美國新視野號探測器飛越冥王星進行科學觀測時，佳木斯深空TT&C站成功捕捉到探測器的信號，最長跟蹤距離達到47.6億公裏。2065438+2007年9月，我國深空TT&C網實現了美國卡西尼探測器撞擊土星全過程的跟蹤測量，為後續自主深空探測任務積累了寶貴經驗。為進壹步滿足田文壹號火星探測器的測控需求，我國首個深空探測天線陣於2020年6月5438+065438+10月08日在新疆喀什進行了調試和測試。三個新建的35米直徑天線和原有的35米天線組成4個35米深的波束波導天線陣列系統。該天線具有直徑66米等效天線的數據接收能力，適用於各種類型的深空任務，具有更強的測控支持。
除境內空間站外，2014年，中國與阿根廷兩國政府簽署協議，在阿根廷內烏肯省拉斯拉哈斯建立首個深空測控站。2017年，阿根廷深空站成功建成並投入使用，用於中國和阿根廷之間的外層空間開發利用。這裏的地理位置與中國沿地心大致對稱，可以為田文壹號在西半球和南半球的跟蹤提供支持。此外，和毅力壹樣，田文壹號任務也與歐洲航天局的深空跟蹤網合作；西班牙和澳大利亞的歐空局監測站參與了信號中繼和傳輸，中國深空探測網的發展為火星探測任務奠定了堅實的基礎。
重型火箭和衛星先進的軌道控制和姿態調整能力對於壹個國家實現火星探測器的探測至關重要。作為世界上第壹個壹次性完成軌道、著陸和巡視的火星探測器，“田文壹號”是壹個巨型探測器，總重量達5噸，約為美國“堅韌”號的4.9倍。將這樣壹個由兩輛卡車組成的探測器發射到火星軌道所需的火箭推力是非同尋常的。在世界上正在使用的火箭中，只有三種火箭具有超過5噸的對地火力轉移能力。它們是美國國家航空航天局的德爾塔4重型火箭，太空探索技術公司的獵鷹重型火箭和中國的長征5號火箭。
“長征五號”是中國第壹個從整體到分系統都采用最新技術的大型液氧、氫、煤油系列運載火箭。是我國研制的規模最大、技術跨度最大的航天運輸系統項目。相比之前的長征火箭，新技術占比95%以上。同時，它是目前我國起飛質量最大、芯徑最大、主動運載能力最強的火箭，近地軌道有效載荷25噸，世界排名第三。其火力轉移能力為6噸，符合“田文壹號”的任務要求。2020年7月23日，搭載田文壹號探測器的長征五號火箭在海南文昌發射場發射。這是長征五號火箭第四次成功發射，也是長征系列運載火箭第219次成功發射。
近年來，中國發射了大量高載荷、高成功率的火箭，為火星探測器的任務奠定了堅實的基礎。從火箭發射數據來看，近兩年我國火箭發射次數保持在每年40次左右，與美國基本持平。每年都在建造壹大批大型遙感衛星、北鬥導航衛星、氣象衛星、農業普查衛星。可以說，經過幾十年的技術發展，中國航天事業的運載火箭技術和衛星軌道控制技術已經成熟。
在中國國家航天局的任務中，“嫦娥探月”工程是深空探測的開創性工程，為火星探測鋪平了道路。從2007年“嫦娥壹號”發射到2020年“嫦娥五號”完成月面土壤返回任務，13年間，中國航天器的深空軌道控制和機動性能得到了很好的檢驗。把嫦娥工程獲得的姿態和軌道控制經驗應用到火星探測器的任務中，可以想象火星探測器的軌道控制並不是中國航天的主要挑戰。在2020年和2021年田文壹號的幾次軌道調整過程中，我們可以看到探測器的每壹次軌道機動都是準確的。
由於軌道精度較高，原定於20265438年2月12日的軌道中途修正甚至被取消。2月15日，直接調整軌道，在遠地點做90度直角轉彎，從環繞火星的水平軌道變為垂直軌道，探測器進入火星極地軌道，實現對火星表面的最佳軌道覆蓋。事實上，作為整個探測之旅中相對簡單的壹環，冷戰後，除了美俄之外，很多國家也試圖向火星發射軌道器，包括歐洲航天局的幾個探測器。印度“曼加裏安”和阿聯酋“希望”都與國際深空探測網成功合作，為人類探索火星做出了重要貢獻。
與環繞火星相比，火星任務最具挑戰性的方面是探測器的軟著陸。火星探測器的著陸過程被稱為“恐怖九分鐘”，在某些情況下，也被稱為“黑色七分鐘”。這個過程通常被稱為EDL，是進入、下降和著陸的首字母縮寫，整個過程需要依靠著陸器的自主控制。在人類歷史上，火星軟著陸任務的成功率不到壹半。對於中國國家航天局來說，這是首次嘗試在火星表面軟著陸壹個重量超過壹噸的著陸器，這真的是壹個新的挑戰。由於眾所周知的困難，田文壹號的成功著陸在某種程度上震驚了壹些不太關註中國航天事業的人。但是，如果妳真正了解中國深空探測任務的發展路徑，妳就不會對田文壹號的完全成功感到特別驚訝。畢竟機會總是留給有準備的人，火星軟著陸任務也不例外。
由於火星獨特的大氣和重力環境，軟著陸過程中有三個關鍵技術動作:
與地球類似，火星表面也是被大氣層包圍的，所以飛船在著陸前必然與火星大氣層發生劇烈摩擦，飛船表面溫度甚至可以超過1000攝氏度。這就要求著陸設備要有良好的防熱措施和氣動外形，使探測器的電子設備在與火星大氣的摩擦中保持完好，避免傾覆。
重返大氣層對中國的太空計劃來說並不新鮮。回顧中國飛船再入的歷史發展軌跡，從1999開始，“神舟”系列飛船每次進入地球大氣層都會與地球大氣層產生嚴重的摩擦。自2003年以來，11名中國宇航員進入太空並安全返回。隨著中國天宮空間站的開放，未來兩年將有12名中國宇航員進入太空並返回地球。2014年發射的嫦娥五號T1再入飛行試驗機和2020年回收月壤返回地球的嫦娥五號返回艙，測試了飛船以第二宇宙速度再入大氣層的安全性和可靠性。可以說，在朱榮登陸火星之前，飛船再入大氣層的氣動外形設計、姿態控制、防熱材料等關鍵技術已經得到了完善和檢驗。
在降落過程中，尾部隔熱罩和底部隔熱罩起到了隔熱的作用。防熱罩外的姿態控制噴管和平衡翼防止航天器軸向旋轉，保證姿態穩定。為了進壹步提高田文壹號進入火星大氣層的隔熱可靠性，中國航天科工集團公司306所為探測器設計了壹種新型隔熱材料——納米氣凝膠，用於應對極熱極冷的環境。同時，納米氣凝膠的超輕特性也大大減輕了火星車的負擔，讓它跑得更快更遠。
此外，為了抵禦火星大氣帶來的不確定性風險，中國采用了獨特的基於所謂平衡翼的彈道升力型大氣進入方案，這是人類首次將其應用於火星探測。這種方案在進入火星時減速時間長，過載小。同時可以通過控制升力方向來提高探測器的著陸精度。也是未來火星采樣、返回和載人火星登陸任務的理想進入方式。此前，“嫦娥五號”返回艙也使用同樣的技術成功著陸地球。
與地球大氣層相比，火星大氣層的壹個重要區別是其密度僅為地球大氣層的1%。為了在釋放著陸器之前將探測器的速度降低到每秒100米以下的安全範圍，除了火星大氣與隔熱罩之間的摩擦，探測器還需要降落傘的幫助。在地球上，由於大氣密度高，在降落傘展開之前，探測器的速度通常會下降到音速以下。然而，火星稀薄的大氣層迫使探測器在超音速飛行過程中及時打開降落傘並減速。這對探測器的超音速降落傘系統提出了極大的挑戰，也是導致歐洲和俄羅斯火星探測計劃壹再推遲的關鍵因素。
早在2016，中國航天科技集團五院508所就完成了超音速降落傘的風洞試驗。2018年，由中國航天科技集團公司研制的新型“天鷹”系列探空火箭在新疆庫爾勒發射場成功發射，成功完成火星探測器著陸的超音速降落傘技術試驗，為三年後登陸火星奠定了又壹技術基礎。在超音速降落傘將探測器速度從每秒2馬赫降至95米後，火星軟著陸的最後壹步落到了著陸器身上。
與火星探測器“堅韌”號的“起重機”方案不同，田文壹號采用了反推力懸停著陸方案。攜帶火星探測器的著陸平臺在接近地面時會啟動反推力系統，使平臺緩慢下降。在距離火星表面100米處，進入懸停階段。在光學成像傳感器和其他測量設備的幫助下，探測器在完成精確避障和緩慢下降後，在緩沖機構的保護下到達火星表面。這個過程的關鍵部件是“7500N變推力發動機”。通過單個發動機的油門控制，著陸器可以實現減速、懸停、避障、慢著陸等壹系列復雜動作。
我國“7500N變推力發動機”從2008年開始研制，目前已經完成了發動機的驗證、設計、合格試驗、工藝研究和高溫試驗。2013，首次用於嫦娥三號。它幫助嫦娥三號以反推力懸停模式成功著陸，使中國成為繼前蘇聯和美國之後第三個成功實現月球軟著陸的國家。依靠這個發動機，2018年的嫦娥四號使中國成為第壹個在月球背面軟著陸的國家。2020年，“嫦娥五號”著陸器仍依靠“7500N變推力發動機”的穩定性，成功在月球表面著陸，並帶著月壤返回地球。
除了變推力發動機，由於火星與地球之間的距離高達數億公裏，探測器著陸所需的全自動著陸程序和自主避障能力也在嫦娥三號到嫦娥五號的任務中得到了驗證..不難看出，嫦娥任務的技術經驗增加了“田文壹號”三大目標成功的信心。
從載人航天，到嫦娥探月，再到祝融火星探測器任務，中國國家航天局的科學家們正在壹步步推進這些技術。尤其是在前期預算緊張的情況下，我們還在逐年突破關鍵技術，進行大量的技術測試，按照現有的項目規劃和路線圖穩步推進。早在2004年，中國的探月任務就制定了到2020年完成繞月、著陸和返回樣本三步走的目標。5438年6月+2020年2月，“嫦娥五號”任務結束，圓滿完成。此外，早在2000年，中國的空間站任務就制定了載人飛船發射、宇航員太空行走、發射空間實驗室和到2022年建立空間站的計劃。
毫無例外，這些計劃是漸進的、穩定的和及時的。至於“田文壹號”，它繼承了中國航天計劃的傳統。雖然項目是2016正式立項的，但該項目直接或間接使用的技術，都是中國國家航天局十幾年空間探索的積累。基於這些技術，中國未來的太空計劃，如超重型長征九號火箭、月球空間站、火星土壤采樣及其返回地球、太陽系邊緣探索等，受到了太空迷的關註。畢竟冷戰結束後，人類探索太空的步伐略有放緩，而中國航天工程的快速發展也為全世界的太空探索註入了強大的動力。也許航天愛好者期待的新壹輪太空探索浪潮才剛剛開始。