成功登火!天問一號安全度過“恐怖9分鍾”
2021年05月15日08:49

  原標題:天問·探路火星|成功登火!天問一號安全度過“恐怖9分鍾”

  5月15日,由航天科技集團五院抓總研製的天問一號火星探測器穩穩降落在首選落點——火星北半球的烏托邦平原。

  目前,人類火星探測任務成功率僅有50%左右,而成功登陸火星表面並順利開展工作的探測任務成功率則更低,大約只有20%,難度可想而知。

  火星探測器進入火星大氣的時速約為21000千米,但要在7-9分鍾內,讓速度在受控狀態下降為0,實現在火星上安全著陸,這是火星探測任務中技術難度最大、失敗率最高的關鍵因素,大部分失敗都是折戟在這一階段。

天問一號探測器的“祝融”號火星車。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖
天問一號探測器的“祝融”號火星車。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖

  “恐怖9分鍾”

  5月15日淩晨2時多,天問一號在火星停泊軌道上進入著陸窗口,隨後探測器實施降軌,環繞器與著陸巡視器開始器器分離,繼而環繞器升軌返回停泊軌道,著陸巡視器運行到距離火星表面 125 千米高度的進入點,開始進入火星大氣,並最終軟著陸在火星表面。

  要想平安穩定地降落到火星表面,首要問題就是讓高速奔馳的天問一號減速。“超音速降落傘是減速技術中難度最大的一個環節,天問一號在使用降落傘時要保證在超音速、低密度、低動壓下打開,而這個過程存在開傘困難、開傘不穩定等問題。”航天科技集團五院天問一號探測器總體主任設計師王闖介紹說,“ 由於火星大氣非常稀薄,進入火星時要求探測器的氣動外形具備高效的減速性能,同時需要更輕量化的防熱材料。”

  除了減速設計,火星進入方案的選擇也至關重要,甚至可以說決定“生死”。因為,從開始踏上進入點的那一刻起,天問一號就迎來了此次探火旅程中最為凶險、最為驚心動魄的“恐怖 9 分鍾”。目前,人類火星探測任務成功率僅有五成左右,大部分失敗都是折戟在“進入/下降/著陸(簡稱 EDL)”這一階段。

  “火星探測最大的難點就是 EDL,這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發動機、多級減速和著陸反衝等多項技術才能實施軟著陸。每個環節都必須確保精準無誤,差一秒都可能造成整個任務的失敗。”航天科技集團五院天問一號探測器總設計師孫澤洲說。為此,早在 EDL前,“天問一號”在火星停泊軌道上就對著陸區進行了詳查預探測,獲取了大量的著陸區地形地貌的數據,並對火星塵暴發生的概率進行了評估;同時,火星探測器繼承了嫦娥三號、四號、五號成熟的懸停、避障技術,以確保安全著陸。“在上述這些措施的基礎上,我們還在國際上首次採用了基於配平翼的彈道-升力式進入方案,以降低火星大氣參數不確定性帶來的風險,提高適應能力。”

  據航天五院總體設計部⽕星探測器總體主任設計師王闖介紹,天問⼀號在進⼊⽕星⼤⽓層以後⾸先借助⽕星⼤⽓,進⾏⽓動減速,這個過程它克服了⾼溫和姿態偏差。⽓動減速完成後,天問⼀號的下降速度也減掉了90% 左右。緊接著天問⼀號打開降落傘進⾏傘系減速,當速度降⾄100米/秒時,天問⼀號通過反推發動機進⾏減速,由⼤⽓減速階段進⼊動⼒減速階段。在距離⽕星表⾯100⽶時,天問⼀號進⼊懸停階段,完成精避障和緩速下降後,著陸巡視器在緩衝機構的保護下,抵達⽕星表⾯。

  總的來說,整個過程天問⼀號在9分鍾內將約2萬千⽶/⼩時的速度降⾄到0⽶/時。值得⼀提的是,雖然此前我國已有⽉表著陸經驗,但是此次天問⼀號⽕星軟著陸任務更加艱難。⼀⽅⾯⽕星表⾯存在⼤⽓(⽕星表⾯⼤⽓的密度是地球表⾯⼤⽓密度的 1%左右),此外,火星表面地形複雜,遍佈岩石、斜坡、溝壑等障礙物;火星塵暴較地球更為嚴重。這些因素給著陸火星帶來了極大難題,安全著陸風險非常高;另⼀⽅⾯⽕星離地球距離更加遙遠,最遠4億公里,通信時延單程達到 20 分鍾左右,因此整個著陸過程相距遙遠的地球來不及做任何處置,只能靠天問⼀號⾃主完成,經曆“未知9分鍾”。

  航天科技集團五院總體設計部⽕星巡視器總體主任設計師陳百超表示:“我國是⾸次實施⽕星探測任務,對⽕星的環境,特別是⼤⽓,類似這些參數,我們沒有⼀⼿數據。所以相當於我們到了⼀個完全未知的⼀個環境,這種難度可想⽽知。”

天問一號探測器模型。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖
天問一號探測器模型。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖

  接下來做什麼?

  成功著陸後,“繞”“著”“巡”的串聯任務終於進⾏到最後⼀步。著陸後,進⼊艙將著陸信息通過環繞器轉發地⾯。進⼊艙和⽕星⻋先後完成坡道及太陽翼天線展開,⽕星⻋將在第⼀時間將成功展開的消息傳回地⾯。⼀切準備就緒後,⽕星⻋將⾃主駛離進⼊艙,抵達⽕⾯,開始新的征程!探測⽕星不僅是⼯程任務的突破,更是⾏星科學領域的突破。

  除了常規的通信、能源(太陽能帆板)、⽀撐結構、動⼒系統等部分外,“天問⼀號”整體上攜帶了13種科學載荷,其中7個在⽕星上空的環繞器上,分別是中解像度相機、⾼解像度相機、次表層探測雷達、⽕星礦物光譜探測儀、⽕星磁強計、⽕星離⼦與中性粒⼦分析儀、⽕星能ᰁ粒⼦分析儀。6台分佈在⽕星⻋上,分別是多光譜相機、次表層探測雷達、⽕星表⾯成分探測儀、⽕星表⾯磁場探測儀、⽕星⽓象測儀、地形相機。它們共有五⼤使命,主要涉及⽕星空間環境、地表形貌特徵、⼟壤表層結構等研究,將給中國帶來⽕星的第⼀⼿資料。其中,與⽓像有關的研究項⽬將收集有關溫度、⽓壓、⻛速和⻛向的⼤⽓數據,並研究⽕星的磁場和⼒場,這些也將解答⼤眾的好奇——⽕星究竟是什麼樣的⽓候。

  按照計劃,90個⽕星⽇後,⽕星⻋將結束巡視探測⼯作,環繞器也將進⾏軌道調整,從⽽開展環繞科學探測。

天問一號探測器的著陸器模型。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖
天問一號探測器的著陸器模型。澎湃新聞記者 謝瑞強 圖

  為什麼選烏托邦平原?

  此次天問一號著陸首選落點是火星北半球的烏托邦平原,為何選擇這裏呢?

  烏托邦平原(拉丁語:Utopia Planitia),又譯作烏托邦低原,為火星上最大的平原,直徑3200公里,中央為49.7°N 118°E,位於阿爾及爾平原的對蹠點上。1976年9月3日,美國“海盜2號”火星探測器在此平原著陸,對著陸點周圍進行了探測。

  根據相關資料,這是一個巨大撞機平原,數十億年前這裏被海洋覆蓋。根據探測數據,在烏托邦平原的中心區域,比火星基準高度低7千米。這對火星車著陸很有利,因為地勢低,則氣壓比較高,火星車著陸時受到大氣的阻力比較大,有利於軟著陸。

  據稱,烏托邦平原擁有一定儲量的地下冰層,平原上有間隙冰等地下物質活動的痕跡,形成了多邊形地貌,具有較高的探索價值。中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤傑此前也曾表示,地質學家說這裏很可能是一個古海洋所在地。在古海洋和古陸地交界的地方,科學家認為這個地方有很高的科學價值,很有可能會取得意想不到的科學成果。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽