為何飛了這麼久才到?落火之後做什麼?設計師揭秘天問一號
2021年05月16日07:22

  原標題:為何飛了這麼久才到?落火之後做什麼?設計師揭秘天問一號

天問一號著陸巡視器著陸火星過程效果圖。 中國航天科技集團五院 供圖
天問一號著陸巡視器著陸火星過程效果圖。 中國航天科技集團五院 供圖

  5月15日,中國首次火星探測任務天問一號探測器成功在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸,火星上首次留下了中國人的印跡。

  早在2月10日,天問一號探測器就成功“刹車”被火星捕獲,但隨後3個月“遲遲”未落。為何飛了這麼久?降落火星,為何專家們稱這是“任務最核心、最難的地方”?著陸後,天問一號又會以什麼方式探索火星?帶著這些疑問,記者採訪了中國航天科技集團五院總體設計部火星探測器總體主任設計師王闖、中國科學院國家天文台研究員鄭永春等專家。

  為何這麼久才抵達?

  一刻不閑,為落火做萬全準備

  被火星捕獲後,天問一號探測器在3個多月裡不僅對火星開展了多維度探測,還為著陸火星做好萬全準備。

  天問一號探測器是個“三件套”,包括環繞器、進入艙和“祝融號”火星車,後兩者共同組成著陸巡視器。據航天科技集團八院509所環繞器總體副主任設計師杜洋介紹,為了給著陸巡視器落火“打前站”,環繞器對預選著陸區開展多維度探測,一方面探測地形地貌,選擇地形平坦無障礙的地方,另一方面靜候“天機”觀天象,獲取著陸區附近區域的氣象狀況。

  火星表面每年都會形成幾場大沙塵暴,曆史上就有探測器因抵達火星時趕上沙塵暴,最終沒能順利展開工作。沙塵暴可能改變著陸巡視器下降過程的動力學參數,影響著陸過程的安全性,且沙塵粒子可能會附著在探測器表面,甚至鑽入內部,造成儀器設備故障。

  由於火星車採用太陽能帆板的形式供電,大量沙塵會覆蓋在太陽能電池片的表面,降低發電效率甚至導致發電能力喪失。對火星車來說,失去能源供應無疑是致命的。因此,環繞器提前探測預選著陸區,瞭解沙塵暴等動向,從而避開惡劣天氣。

  天問一號的登陸地點是火星烏托邦平原南部,通過分析該區域此前的氣象數據和火星探測器遙感數據,5月中下旬落火是較穩妥的選擇。

  除了做準備工作,天問一號還完成了一系列科學探測。2月24日,天問一號進入火星停泊軌道後,環繞器上的7台科學儀器就已全部開機開始工作,期間還進行了多次軌道調整。這意味著,它獲取了火星不同軌道高度上的科學信息,而不同軌道高度處的探測數據相結合,可以幫助我們更全面地瞭解火星的空間環境信息,例如火星的磁場、電離層、太陽風與火星高層大氣之間的相互作用等。

  落火過程有多險?

  由天問一號自主完成,經曆“未知9分鍾”

  天問一號落火分三步:進入,減速和軟著陸,簡稱“EDL”。5月15日淩晨1時許,天問一號探測器在停泊軌道實施降軌,機動至火星進入軌道;4時許,著陸巡視器與環繞器分離,曆經約3小時飛行後,進入火星大氣,經過約9分鍾的減速、懸停避障和緩衝,成功軟著陸於預選著陸區。

  “這是整個任務中風險最高的一步,著陸過程無法由地面實時控製,只能靠天問一號自主完成。”王闖告訴記者,進入火星大氣層以後,天問一號首先借助火星大氣進行氣動減速,克服超高速摩擦產生的高溫、氣動帶來的姿態偏差等挑戰,將約2萬千米/小時的下降速度減掉了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/秒時再通過反推發動機減速,由大氣減速階段進入動力減速階段。距離火星表面100米時,天問一號進入懸停階段,精準避障、緩速下降後,著陸巡視器在緩衝機構和氣囊的保護下穩穩降落在火星表面。

  難中之難是降落傘。“超音速降落傘是減速技術中難度最大的環節,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。”王闖說,由於火星大氣稀薄,研製人員設計了具備高效減速性能的探測器氣動外形和防熱結構,同時採用了更輕量化的防熱材料。

  雖然此前我國已有月面著陸經驗,但這次天問一號火星軟著陸任務更艱難。“地面站與探測器間通信是通過無線電波實現的,傳播速度每秒約30萬千米。月球到地球的平均距離是38萬千米,所以月球探測器與地球通信時幾乎感覺不到延時,但地球到火星之間的距離是變化的,最近時約5500萬千米,最遠時可達到4億千米。”鄭永春告訴記者,由於距離遠,地面與火星探測器的通信面臨最長接近20分鍾的延時,科研人員無法隨時控製探測器,考驗前所未有。

  “我國首次實施火星探測任務,沒有火星環境特別是大氣等參數的一手數據,相當於在一個完全未知的環境步步摸索,難度可想而知。”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說。

  在天問一號著陸巡視器落火前一天,英國《自然》雜誌發表評論文章,稱“祝融號”火星車著陸是對中國深空探測能力的最大考驗。報導還援引意大利博洛尼亞射電天文研究所行星科學家羅伯特·奧羅塞的話:“這項任務對中國來說是一個巨大的飛躍,因為他們一次就完成了美國宇航局花了數十年才完成的任務。”

  落火後做什麼?

  將依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平台並進行巡視探測

  到達火星不是目的,儘可能獲得有效科學探測數據才是目標。接下來,火星車將依次開展對著陸點全局成像、自檢、駛離著陸平台並進行巡視探測。

  天問一號總共攜帶了13種科學儀器,能照相,會測物質、測環境、測地質、看氣象,坐擁“百般武藝”。火星車和環繞器共同肩負科學探測使命,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,將為中國帶來火星研究的第一手資料。

  火星車高1.85米,重量達240公斤左右,裝有4個“蝴蝶翅膀”——太陽能電池板,6個輪子均是獨立驅動,是輛不折不扣的“火星六驅越野車”。車上載有6種科學儀器,包括多光譜相機、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、火星氣象測量儀、導航地形相機等,此外還有避障相機、監視相機等諸多工程儀器。

  環繞器對火星車的意義不止“帶一程”。著陸巡視器安全著陸後,環繞器會停留在通信中繼軌道,轉發各種信息數據回地球,同時也向火星車傳達來自地球的指令。

  環繞器本身也是一個超級科研能手,攜帶了7台科學儀器,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、火星能量粒子分析儀,能在多軌道高度對火星進行整體性、全球性、綜合性研究。

  探測過程安排周密,把探測數據安全有效傳回地球也要萬無一失。考慮到火星距離遙遠,我國在為探月工程而建的測控站之外,又新建了3台測控站。“這樣可以4台聯網天線組陣,測控能力更強,能夠實現火星距地球最遠4億公里時的測控通信。”中國國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑說,這在測控技術上是很大的突破。

  火星車的設計壽命為3個火星月,由於火星上的一天比地球略長(火星自轉週期約為24小時37分鍾),相當於約92個地球日。按照計劃,約90個火星日後,火星車將結束巡視探測工作,環繞器也將調整軌道,進入近火點265公里、遠火點12000公里的軌道,對火星表面開展至少1個火星年(約2個地球年)的近距離遙感探測。

  天問一號實現了我國首次地外行星著陸,推動我國星際探測再上新台階,無疑也是人類航天史上的一次壯舉。美國宇航局助理局長托馬斯·祖爾布琴在社交媒體發文:“‘祝融號’登陸火星,恭喜中國國家航天局天問一號團隊!和全球科學界一起,我期待本次火星任務對人類瞭解這顆紅色星球作出重要貢獻。”

  浩瀚宇宙,承載著國人千百年來的嚮往,也寄託著全人類的共同夢想。千呼萬喚始出來,我國第一輛火星車大步邁向星際探測新徵程。

  來源:柴雅欣/中國紀檢監察報

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