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歷史一刻!“天問一號”成功著陸火星!下降過程經歷了哪些難關?

發布時間:2021-05-17 09:13 來源:科學加

  著陸火星成功!我國首次火星探測任務天問一號探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸。祝融號火星車將開展巡視探測。

  記者從國家航天局獲悉,科研團隊根據“祝融號”火星車發回遙測信號確認,5月15日,天問一號著陸巡視器成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區,我國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

  中國首次火星探測任務天問一號探測器一次性完成了 “繞、落、巡” 的工作。今年 2 月,天問一號成功實施第三次近火制動,進入火星停泊軌道,已經完成 3 個月的繞飛工作。著陸階段則是本次任務的重頭,也是技術難點所在。

  祝融號成為了人類史上第六臺探索火星表面的火星車。中國也成為在美國之后第二個登上火星的國家。

  ★★★

  扎進火星大氣

  光是要找到最合適的降落地點也一點都不容易,除了在出發前先根據已有的火星表面信息,選擇多個備選方案,探測器過去 3 個月時間里,在火星軌道上環繞飛行的同時,也在觀察和收集相關數據,為著陸做準備。

  火星表面有懸崖、洞口、溝壑,還有一堆亂七八糟的石頭,落點沒找好的結果,可能就是大老遠送去的火星車在落地瞬間即翻車。

  著陸過程一直是火星探測中最兇險的一個環節,被稱為 “恐怖七分鐘”。

  在進入大氣層前,探測器的速度約為 4.9 公里 / 秒,要實現軟著陸,探測器需要在不到十分鐘的時間內將速度降到 0。

  著陸火星減速過程包括大氣減速、氣動減速、降落傘減速、反推發動機減速等,任何一個步驟都不能有差錯,直至軟著陸在火星表面。

  降落火星的第一個難題,就是進入大氣層。

  難就難在探測器需要以最完美的角度切入大氣層。角度太小就會像打水漂一樣,被反彈出大氣層。角度太大也不行,空氣阻力會變得特別大,溫度升高導致燃燒、融化。

  在沖進大氣之后,探測器開始減速,火星大氣是 “攔下” 探測器的重要因素。這就是氣動減速,祝融號要用 290 秒左右將速度降至 460 米 / 秒。

  高速、高溫為探測器帶來了巨大挑戰。航天科技集團五院、火星探測器總體副主任設計師譚志云曾在接受采訪時表示,大氣減速的時候要面臨高溫的過程,還有氣動帶來的姿態的偏差,這都會對減速造成不利的影響。

  扛過這一關考驗的是探測器的氣動外形和放熱結構。只要經受住了考驗,探測器的速度就能減少 90%。

  接下來,像載人飛船返回地球表面一樣,打開降落傘,是祝融號減速的第二步。降落傘的任務,是在約 90 秒的時間里,把速度降至約每秒 100 米。

  只要到這一步,祝融號自己的發動機才會準備開機反推。這就進入了動力下降階段,探測器上的變推力發動機開機,靠自身動力主動反推減速。

  走到這一步,80-100 秒時間已經過去,不過地球上的人還是無法收到任何信息。

  理想情況下,經過周密計算,祝融號會通過一系列減速,到達預定地點,不過還不能著急落地。距離地面 100 米左右時,探測器進入懸停狀態。最后用各種探測器看看下方的火星表明能不能安全降落。

  祝融號上的微波測距測速敏感器對地面進行測量,光學相機、三位激光相機也會對地面進行成像。若發現地面不平整, 降落還存在風險, 祝融號會在發動機的幫助下,先進行平移, 直到確認地面適合降落。

  當自主確定著陸區域后,著陸巡視器會在緩沖機構和氣囊的保護下,抵達火星表面。

  如果進展順利,地球上的監測站會在探測器觸地后 10 多分鐘后收到相關的信號和降落時的拍攝畫面。

  ★★★

  短暫而唯一的機會

  因為距離原因,火星發射信號到地球能接收到,用時超過 10 分鐘。所以,從收到前方信息,再發出信號進行人工干預,信號傳輸需要超過 20 分鐘時間。

  因此,探測器的著陸全程只能靠自己進行。一旦進入了火星大氣層,就必須按照預定的時序進行預定動作,沒有任何人工干預的成分。

  從技術上來說,火星著陸的難點在于復雜的環境。比如火星表面有稀薄的大氣,密度相當于地球的百分之一。探測器要依靠大氣減速,但目前對火星大氣的了解還相對有限。

  中國倒是有豐富的載人航天經驗,載人飛船在回地球時也需要利用大氣減速。但火星密度相當于地球的百分之一,因此對航天器的結構、外形、材料都有不同的設計。

  此外,火星著陸相比飛向火星、環繞,幾乎沒有容錯率,被稱為 “短暫而唯一” 的一環。

  據新京報報道,中國航天科技集團五院研究員、天問一號探測器總設計師孫澤洲接受時表示,進入火星大氣的過程 “開弓沒有回頭箭”,探測器必須具備足夠的智能,判斷所有突發情況!捌渌麕讉過程在時間上都沒有那么苛刻的條件,遇到狀況可以等一等,但著陸的過程沒法暫停!

  為了這唯一的著陸過程,祝融號也準備了很久。

  今年 2 月,中國的天問一號、美國的毅力號和阿聯酋的希望號探測器經過 6 個半月的飛行之后,都先后到達了火星。

  雖然天問一號比毅力號早了約 10 天到達,但毅力號壓根就沒有帶環繞器,沒有環繞火星飛行的能力,到達火星之后,毅力號就直接把巡航級一扔, 火星車塞在氣動外罩里直接扎進火星大氣層。

  但天問一號則一直繞著火星飛,進行了三個月時間的勘探和準備。

  在進入環火星軌道之后,來自中國的探測器終于可以近距離地好好看看這個神秘的紅色星球。也只有在更近的距離上,各種傳感器才有辦法獲得精度更高的地形信息,為著陸做準備。

  事實上,毅力號能夠到達即著陸,正是因為 NASA 早早就為它規劃好的了路線,美國至今在環火星軌道上留有探測器,在毅力號出發之前就畫好了一份著陸區附近的高精地圖。毅力號只需要要算好了按計劃別飛歪了就行。

  中國的探測器此前從未成功到訪火星,因此天問一號則相當于,需要自己先在環火星軌道上,近距離看清楚地形之后,再找準地方著陸。

  另一方面,現在環火星軌道上繞飛,有時間等個合適的著陸天氣;鹦侵懸残枰刺,火星表面時常會有沙塵暴,除了影響探測,更影響太太陽光照射。不同于毅力號直接帶了一個核電池給自己供電,對依賴太陽能供電的祝融號來說,在天氣方面需要更加謹慎。

  還有一點,天問一號環繞器在環地球軌道上已經開始了豐富的探測計劃,重要性并不亞于祝融號直接落到火星表面,環繞器上的 7 臺探測儀器,如今已經工作了 3 個月時間。其中包括兩臺相機、火星軌道次表層探測雷達、火星礦物學光譜儀、火星磁力儀、火星離子和中性粒子分析儀、火星高能粒子分析儀。

  與此同時,環繞器需要持續繞火飛行,作為火星車和地球之間的通訊中繼,在進行科學探測的同時,也擔任了通信衛星的角色。

  天問一號環繞器的運行像一個前哨站,同樣給未來的火星探測,打下一個重要的基礎。

  ★★★

  第一臺中國火星車

  這是中國第一次把探測器送到火星表面。

  這么難得的一次機會,祝融號也在有限的小身子里,把能帶的東西都一口氣塞下帶去了火星。

  “祝融號” 火星車的高度有 1.85 米,重量達到 240 公斤左右。車上 6 種有效荷載包括了地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀、表面磁場探測儀、氣象測量儀。

  第一次到火星,對祝融號來說,火星上的一起事物幾乎都是新的。帶著這一套傳感器,祝融號將在火星上開展地表成分、物質類型分布、地質結構以及火星氣象環境等探測工作。

  也別忘了在天上的天問一號環繞器,它也將和祝融號一起,一個在天,一個在地,探測火星表面的地形、土壤、水、大氣電離層,甚至尋找生命跡象等。


  據了解,祝融號著陸的烏托邦平原地勢平坦,是古代海洋的海床,光照充足,年平均氣溫高達 - 30 到 - 20 攝氏度,也被戲稱為是未來人類登火的最佳地點之一。

  碰巧的是, 毅力號也在附近,祝融號登陸火星的地點,距離 NASA 毅力號著陸的位置大概有 1800 公里。來自中美兩國的探測器從地球的兩端出發,經過半年多的飛行,最終在上億公里之外的紅色星球上,成了鄰居。

編輯:徐菁
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