登陆火星的“黑色七分钟”(3)

“火星生命”2016任务。其中，图左为轨道器和着陆验证器的组合体，图中为着陆验证器，图右为轨道器。

2、2016火星任务的着陆验证器

为支持未来的火星探测任务，2016火星任务特别搭载了一个着陆验证器。目的是验证火星表面安全着陆的技术平台，进行可控的火星表面登陆试验，验证火星大气进入、减速下降和着陆过程中的关键技术，并计划将一个质量为3千克的科学仪器包，着陆在火星表面进行持续4个火星日的短期科学实验（火星上的一天比地球上长39分35秒）。

着陆验证器主要是为了测量从火星高空至火星表面的大气参数，包括大气密度、温度、压力、风场等；测量强的火星尘暴条件下的大气特征；扩展有效工程数据量，分析遥感测量数据与理论模型的差异。当然，由于受到科学仪器质量、能源供应和下传数据量的限制，这些科学目标不一定能够完全实现。

对2016年火星任务而言，着陆验证器最主要的技术目标是，试验和验证欧洲后续火星探测任务必需的关键技术环节，如：气动热力学分析、火星大气进入与减速系统设计、制导—导航和控制系统设计与着陆系统设计。

着陆验证器是一个盾型航天器，由一个半锥角70度的盾头前体结构和一个半锥角为47度的圆锥形后体结构组成。着陆验证器外直径为2.4米，表面平台直径为1.7米，气动外形继承了“火星探路者”、“机遇号”、“勇气号”和“凤凰号”火星探测器的气动外形。

在着陆验证器和轨道器组合体飞往火星的巡航过程中，为减少主电池的能量消耗，着陆验证器处于休眠模式。由轨道器为组合体提供必需的操作以及与地球间的通信，并为着陆验证器提供所需能源。

组合体到达火星3天前，着陆验证器通过三点旋转分离机构与轨道器分离，并为着陆验证器提供大于0.3米/秒的相对速度和2.5转/秒的自旋角速度，使着陆验证器与火星大气进入边界点成0度攻角。

着陆验证器在火星大气层停靠阶段将持续3天，停靠时间长短取决于轨道器与着陆验证器分离后的轨道修正，为进入火星大气提供必须的轨道机动。这一阶段对着陆验证器而言非常关键，导航和分离机构的散布将会叠加，进入火星大气边界点的轨道散布也将进一步增加。本阶段最关键的动作，是利用着陆验证器后体上的太阳敏感器测量惯性姿态，在抵达进入火星大气边界点前，激活探测器系统，为启动火星着陆程序做准备。

由于2016火星任务抵达火星时恰逢全球性沙尘暴季节，因此在进行着陆验证器设计时，必须考虑沙尘暴的影响。

3、着陆系统

着陆验证器的着陆系统包括一个被动着陆装置（可压缩缓冲结构）和一个主动着陆装置（液体肼单组元推进系统）。主动着陆装置保证着陆验证器在高度约1.5米时实现悬停（减速至0）。

被动着陆装置由一种层压的可压缩缓冲材料构成，这种材料在冲击过程中以变形方式吸收冲击能量，以达到最终缓冲的目的。在反推发动机作用完成后，着陆验证器表面平台将以4米/秒的速度着陆，可压缩缓冲材料使该速度带来的冲击降至最低，最大冲击过载为40g。实现缓冲功能最大的挑战是可压缩缓冲材料的结构布局设计。

由于着陆验证器上既没有放射性同位素电池（核电源），也没有太阳能电池板，因此着陆验证器在火星表面着陆后的能源供给，只能依靠携带的主电池供电，但其电力非常有限，所以着陆验证器在火星表面的工作寿命只有4个火星日。

4、大气进入—下降—着陆

当着陆验证器与轨道器分离后，将以双曲线轨道进入火星大气层。着陆验证器可能的目标着陆点是火星子午线平原，这一区域的地形和大气特性目前已经全面掌握，在该区域着陆可以将火星表面着陆风险降至最低。

目前，目标着陆区的散布椭圆半长轴小于50千米。科研人员正通过NASA提供的着陆区高分辨率图像对周围环境特征进行深入分析，随着对着陆区特征的认识更加明确，危险识别能力将进一步增强。

当着陆验证器抵达火星大气层边界（高120千米处）时，最大相对速度为5.827千米/秒，确定是否进入大气层走廊还须考虑热流密度、热流载荷、载荷因子、降落伞充气载荷和着陆点精度等5个因素和火星大气条件的变化以及气动特性。

当着陆验证器沿双曲线轨道进入火星大气后，飞行速度减至612～714米/秒（1.8～2.1倍音速）范围内时，直径12米的降落伞打开。当降落伞达到稳定减速后，前体弹射分离；安装在着陆验证器表面平台上的多普勒雷达高度计开始测量。测量数据传输至惯性测量单元，通过计算获得动力下降段点火时的高度。着陆验证器到达该高度时，降落伞携带后体与着陆验证器表面平台分离。着陆验证器高度约1400米，速度约80米/秒时，开始启动最后的动力下降段。