火星上首次留下中國印跡!中國成為第3個觸摸這顆紅色星球的國家!
2021年05月15日09:04

  文章來源:科普中國

  本文專家:劉豔,中國科學院空間應用工程與技術中心

  前段時間,大家紛紛投身於起名的熱潮。我們的第一輛火星車,因此擁有了這個具有獨特意義的名字——“祝融號”。

  就在剛剛,八點二十左右,天問一號火星著陸器成功著陸火星。

  我國首次火星探測任務天問一號火星著陸器在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸,在火星上首次留下中國印跡!中國成為第3個觸摸這顆紅色星球的國家!

  對於“祝融號”,大家在關注的同時也有很多好奇。比如:為什麼天問一號繞火星飛了3個多月才著陸?祝融號著陸整個過程大概多久?火星登陸會遇到哪些嚴峻考驗……

  接下來就為大家一一揭秘!

  為什麼天問一號繞火星飛了3個多月才著陸?

  拍照、勘察著陸區。

  2020年7月,天問一號發射奔火。

  今年2月10日,天問一號進行高難度的刹車製動,成功被火星引力捕獲,成為我國第一顆環繞火星的人造衛星。

  2月24日,天問一號進入火星停泊軌道,開始運行約3個月。

  那麼,為什麼要繞行這麼久呢?

  萬事俱備再著陸。天問一號任務作為中國第一個火星探索任務,既需要通過變軌實現對火星各區域的探測覆蓋,也會對火星的著陸區進行綜合考察,包括成像、勘察,還需採集火星大氣等數據,為接下來的著陸火星做好準備。

  不僅考察需要時間,數據的分析處理也需要時間,在準備充分以後,天問一號就會釋放著陸器,將祝融號火星車送上火星表面。

  祝融號著陸的過程怎樣?大概多久?

  9分鐘,“瘋狂”刹車。

  祝融號著陸器從軌道著陸的過程(Entry Descent Landing EDL)如圖所示,大概可以分為降軌、分離、減速、懸停、著陸5個階段。

  著陸過程,來源:中國航天報

  ① 降軌

  在下降前5小時,天問一號建立降軌姿態,軌道器發動機點火降低,進入近火點50公里的大橢圓軌道。

  ② 分離

  在距離地面100多公里處,實現軌道器和著陸器分離。不妨把此時的時間作為進入大氣的起點,自此開啟約9分鐘的著陸。

  兩器到達安全距離後,軌道器立即點火,抬升軌道進入中繼軌道(環繞軌道)。軌道器升軌同時,也實時拍攝監測著陸器的下降過程。

  ③減速

  兩器分離後,有三個減速過程。分別是氣動減速、傘降減速、動力減速。

  一、氣動減速,靠大氣摩擦減速。此時展開配平翼,隨著防熱大底和大氣不斷摩擦,飛行器速度逐步降低,此階段為純氣動減速段,消耗將近90%的速度,超音速減速傘打開。

  二、傘降減速,超音速減速傘打開,此時高度約11公里,減速傘使用的是盤-縫-帶設計傘。此時著陸器將先後拋掉防熱大底和背罩輕裝著陸。

  三、動力減速,在著陸器同背罩分離同時,發動機點火,對地雷達隨機開機,著陸緩衝機構(四條著陸腿)展開。

  ④ 懸停

  通過調整發動機推力,使著陸器在高度100米時,速度為0,達到懸停的目的,著陸器下方的對地相機同時拍攝下方圖像,自主分析並選擇相對平整適宜著陸的點。著陸器調整姿態,前往著陸點,並開始下降。

  著陸模擬,來源國家航天局

  ⑤ 著陸

  通過著陸腿的緩衝機構抵消賸餘的動能。著陸器緩緩降落在火星表面,此時垂直速度和水平速度都非常小,通過著陸腿的緩衝抵消賸餘的動能,類似與人從高處跳下時的下蹲。

  著陸過程中遭遇了哪些嚴峻挑戰?

  天問一號任務一次性完成“環繞、著陸、巡視”三大步,著陸是其中最複雜、最難的部分。

  著陸過程,是著陸巡視器從進入火星大氣層到降落到火星表面的過程,整個過程大約9分鐘。雖然時間短暫,卻是整個飛行任務中的一道頂級難題。

  挑戰1:信號延時—超過10分鐘

  軌道器和著陸器的分離決定任務成敗。

  天問一號距離地球非常遙遠,信號單程時延10分鐘以上。地面無法進行實時測控干預,探測器會自主執行預先注入的指令,並自行判斷指令執行的效果。一旦發現問題,必須在極短時間內進行自我診斷,排除故障。

  挑戰2:刹車難控—歷史成功率50%

  人類迄今共實施47次火星探測任務(含2020年7月的3次發射任務),成功或部分成功的僅25次,成功率剛過50%。而對火星著陸任務,目前共實施22次,算上此次,僅成功10次,中國此次火星探測任務在世界航天史上亦是創舉。

  挑戰3:險點難料—智能化要求高

  著陸受火星大氣的影響,如果突然火星起沙塵暴那樣極端的氣像那有可能造成嚴重後果。此外熱防護、降落傘,減速也是重要風險點。

  降落過程,目前中國尚未在外太空使用過降落傘,這是中國首次以降落傘的方式軟著陸到地外行星。這個著陸過程與地球通信的延時很長,因此對自主性、智能性、實時性的要求更高。

  減速過程要求非常精確,減速控制如何足以決定任務的成敗,如果速度沒降下來,那著陸器就砸到火星表面,砸了一個坑不說,祝融號也會壞掉,前面的努力都會白費。

  另外姿態控制也很重要,如果沒控制好,著陸時“四腳朝天”那就麻煩了。

  相比地球和月球,在火星表面著陸更加複雜。火星表面也籠罩著大氣層,但大氣密度僅為地球的0.6%~0.7%。航天器在進入火星的過程中,一方面無法單純依靠大氣降低到安全速度,同時又必須考慮空氣摩擦產生的熱量衝擊。

  從目前火星地貌影像看,火星地形複雜程度超過月球,與地球、月球的地形很不一樣。

  開展巡視探測工作的過程中,祝融號也將面臨地形、能源、路況、沙塵、通信等各種挑戰。

  著陸點為什麼選烏托邦平原?

  著陸點選擇需要綜合科學與工程2方面進行考慮,以儘可能的降低工程風險,並提高科學探測價值。

  “天問一號”火星探測任務的首選著陸點位於火星烏托邦平原,是火星上最大的平原,其表面下可能有大量的水冰儲備。在科幻系列《星際旅行》中,烏托邦平原就是星際聯邦的主要造船基地。

  如果有一天,太空機構將人類送上火星,水將是一種至關重要的資源,因為它既可以維持宇航員的生命,也可以分解成氫和氧作為火箭燃料。

  飛往火星的宇宙飛船不太可能攜帶足夠的水、氧氣和氫氣,完成往返火星的整個旅程。

  火星車上搭載了6種科學設備,包括可用來拍照導航的地形相機及雷達、測量火星氣象的氣象儀、火星表面磁場探測儀、火星表面成分探測儀等,為完成火星表面巡視探測和科學研究保駕護航。祝融號預計在火星表面工作90多天。

  那麼,著陸器著陸後,軌道器幹啥去了?

  軌道器降軌,變身“火星遙感衛星”。火星表面巡視探測任務結束後,軌道器將降軌到橢圓形的遙感任務軌道,又變身為“遙感衛星”。

  它將繞火星飛行約1個火星年(約2個地球年),完成火星全球遙感探測任務,同時兼顧祝融號火星車的中繼通信。

  預計著陸後的第8個火星日,中國首輛火星車將緩緩駛下著陸平台,在烏托邦平原上軋下第一道印記。

  在此祝願

  祝融號衝破重重關卡

  在人類火星烏托邦探索的旅程中

  留下中國“火星人”的足跡

  祝融號!加油!

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