历史一刻!“天问一号”成功着陆火星!下降过程经历了哪些难关?
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历史一刻!“天问一号”成功着陆火星!下降过程经历了哪些难关?

2021年05月16日 07:28:20
来源:北京科技报科学加

着陆火星成功!我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆。祝融号火星车将开展巡视探测。

央视新闻记者从国家航天局获悉,科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,5月15日,天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

中国首次火星探测任务天问一号探测器一次性完成了 “绕、落、巡” 的工作。今年 2 月,天问一号成功实施第三次近火制动,进入火星停泊轨道,已经完成 3 个月的绕飞工作。着陆阶段则是本次任务的重头,也是技术难点所在。

祝融号成为了人类史上第六台探索火星表面的火星车。中国也成为在美国之后第二个登上火星的国家。

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扎进火星大气

光是要找到最合适的降落地点也一点都不容易,除了在出发前先根据已有的火星表面信息,选择多个备选方案,探测器过去 3 个月时间里,在火星轨道上环绕飞行的同时,也在观察和收集相关数据,为着陆做准备。

火星表面有悬崖、洞口、沟壑,还有一堆乱七八糟的石头,落点没找好的结果,可能就是大老远送去的火星车在落地瞬间即翻车。

着陆过程一直是火星探测中最凶险的一个环节,被称为 “恐怖七分钟”。

在进入大气层前,探测器的速度约为 4.9 公里 / 秒,要实现软着陆,探测器需要在不到十分钟的时间内将速度降到 0。

着陆火星减速过程包括大气减速、气动减速、降落伞减速、反推发动机减速等,任何一个步骤都不能有差错,直至软着陆在火星表面。

降落火星的第一个难题,就是进入大气层。

难就难在探测器需要以最完美的角度切入大气层。角度太小就会像打水漂一样,被反弹出大气层。角度太大也不行,空气阻力会变得特别大,温度升高导致燃烧、融化。

在冲进大气之后,探测器开始减速,火星大气是 “拦下” 探测器的重要因素。这就是气动减速,祝融号要用 290 秒左右将速度降至 460 米 / 秒。

高速、高温为探测器带来了巨大挑战。航天科技集团五院、火星探测器总体副主任设计师谭志云曾在接受采访时表示,大气减速的时候要面临高温的过程,还有气动带来的姿态的偏差,这都会对减速造成不利的影响。

扛过这一关考验的是探测器的气动外形和放热结构。只要经受住了考验,探测器的速度就能减少 90%。

接下来,像载人飞船返回地球表面一样,打开降落伞,是祝融号减速的第二步。降落伞的任务,是在约 90 秒的时间里,把速度降至约每秒 100 米。

只要到这一步,祝融号自己的发动机才会准备开机反推。这就进入了动力下降阶段,探测器上的变推力发动机开机,靠自身动力主动反推减速。

走到这一步,80-100 秒时间已经过去,不过地球上的人还是无法收到任何信息。

理想情况下,经过周密计算,祝融号会通过一系列减速,到达预定地点,不过还不能着急落地。距离地面 100 米左右时,探测器进入悬停状态。最后用各种探测器看看下方的火星表明能不能安全降落。

祝融号上的微波测距测速敏感器对地面进行测量,光学相机、三位激光相机也会对地面进行成像。若发现地面不平整, 降落还存在风险, 祝融号会在发动机的帮助下,先进行平移, 直到确认地面适合降落。

当自主确定着陆区域后,着陆巡视器会在缓冲机构和气囊的保护下,抵达火星表面。

如果进展顺利,地球上的监测站会在探测器触地后 10 多分钟后收到相关的信号和降落时的拍摄画面。

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短暂而唯一的机会

因为距离原因,火星发射信号到地球能接收到,用时超过 10 分钟。所以,从收到前方信息,再发出信号进行人工干预,信号传输需要超过 20 分钟时间。

因此,探测器的着陆全程只能靠自己进行。一旦进入了火星大气层,就必须按照预定的时序进行预定动作,没有任何人工干预的成分。

从技术上来说,火星着陆的难点在于复杂的环境。比如火星表面有稀薄的大气,密度相当于地球的百分之一。探测器要依靠大气减速,但目前对火星大气的了解还相对有限。

中国倒是有丰富的载人航天经验,载人飞船在回地球时也需要利用大气减速。但火星密度相当于地球的百分之一,因此对航天器的结构、外形、材料都有不同的设计。

此外,火星着陆相比飞向火星、环绕,几乎没有容错率,被称为 “短暂而唯一” 的一环。

据新京报报道,中国航天科技集团五院研究员、天问一号探测器总设计师孙泽洲接受时表示,进入火星大气的过程 “开弓没有回头箭”,探测器必须具备足够的智能,判断所有突发情况。“其他几个过程在时间上都没有那么苛刻的条件,遇到状况可以等一等,但着陆的过程没法暂停。”

为了这唯一的着陆过程,祝融号也准备了很久。

今年 2 月,中国的天问一号、美国的毅力号和阿联酋的希望号探测器经过 6 个半月的飞行之后,都先后到达了火星。

虽然天问一号比毅力号早了约 10 天到达,但毅力号压根就没有带环绕器,没有环绕火星飞行的能力,到达火星之后,毅力号就直接把巡航级一扔, 火星车塞在气动外罩里直接扎进火星大气层。

但天问一号则一直绕着火星飞,进行了三个月时间的勘探和准备。

在进入环火星轨道之后,来自中国的探测器终于可以近距离地好好看看这个神秘的红色星球。也只有在更近的距离上,各种传感器才有办法获得精度更高的地形信息,为着陆做准备。

事实上,毅力号能够到达即着陆,正是因为 NASA 早早就为它规划好的了路线,美国至今在环火星轨道上留有探测器,在毅力号出发之前就画好了一份着陆区附近的高精地图。毅力号只需要要算好了按计划别飞歪了就行。

中国的探测器此前从未成功到访火星,因此天问一号则相当于,需要自己先在环火星轨道上,近距离看清楚地形之后,再找准地方着陆。

另一方面,现在环火星轨道上绕飞,有时间等个合适的着陆天气。火星着陆也需要看天,火星表面时常会有沙尘暴,除了影响探测,更影响太太阳光照射。不同于毅力号直接带了一个核电池给自己供电,对依赖太阳能供电的祝融号来说,在天气方面需要更加谨慎。

还有一点,天问一号环绕器在环地球轨道上已经开始了丰富的探测计划,重要性并不亚于祝融号直接落到火星表面,环绕器上的 7 台探测仪器,如今已经工作了 3 个月时间。其中包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。

与此同时,环绕器需要持续绕火飞行,作为火星车和地球之间的通讯中继,在进行科学探测的同时,也担任了通信卫星的角色。

天问一号环绕器的运行像一个前哨站,同样给未来的火星探测,打下一个重要的基础。

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第一台中国火星车

这是中国第一次把探测器送到火星表面。

这么难得的一次机会,祝融号也在有限的小身子里,把能带的东西都一口气塞下带去了火星。

“祝融号” 火星车的高度有 1.85 米,重量达到 240 公斤左右。车上 6 种有效荷载包括了地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪。

第一次到火星,对祝融号来说,火星上的一起事物几乎都是新的。带着这一套传感器,祝融号将在火星上开展地表成分、物质类型分布、地质结构以及火星气象环境等探测工作。

也别忘了在天上的天问一号环绕器,它也将和祝融号一起,一个在天,一个在地,探测火星表面的地形、土壤、水、大气电离层,甚至寻找生命迹象等。

据了解,祝融号着陆的乌托邦平原地势平坦,是古代海洋的海床,光照充足,年平均气温高达 - 30 到 - 20 摄氏度,也被戏称为是未来人类登火的最佳地点之一。

碰巧的是, 毅力号也在附近,祝融号登陆火星的地点,距离 NASA 毅力号着陆的位置大概有 1800 公里。来自中美两国的探测器从地球的两端出发,经过半年多的飞行,最终在上亿公里之外的红色星球上,成了邻居。