“天问一号” 的这脚“刹车”为什么大有学问?

发表于  02/11 09:10   约7分钟

  2月10日晚间,“天问一号”到达火星附近,通过“刹车”完成了整个探测任务中尤为重要的一环——“火星捕获”。被火星捕获,“天问一号”进入环火轨道,顺理成章地成为一颗火星卫星,为着陆火星作准备。

  在飞向火星的途中,“天问一号”成败关键点为何是火星捕获?这脚“刹车”难在哪里?成功着陆火星,“天问一号”还要迈过几道关?和登陆月球相比,为什么登陆火星这么难?这些疑问,在“探火”科学家那里能找到答案。

火星捕获这脚“刹车”难在哪里?

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▲“天问一号”将经过发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测六个阶段,计划5月着陆火星。图/国家航天局

  火星捕获是火星探测任务中技术风险最高的环节之一,由于火星捕获窗口的唯一性,捕获的成败决定了火星探测任务的成败。这一点火制动过程,通常被称为“踩刹车”。

  中国首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花表示,“刹车”踩早了,探测器速度降得过低,探测器会坠入大气层撞击火星;踩晚了,探测器就不能被火星引力捕获,从而飞离火星。

  而且,这次刹车,有且仅有一次机会。此时距离地球1.93亿公里,通讯单向时延约11分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。“这脚刹车可以说太难了,早了、晚了,深了、浅了都不行,只有时机和时长分秒不差,才能形成理想的捕获轨道。”张玉花说。

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▲“天问一号”在宇宙中的“自拍照”

  成功捕获进入环火轨道后,火星探测器会进行一系列轨道调整,进入停泊轨道,将近火点调整到着陆点上空附近,并在每次经过近火点时,对巡视器着陆区域进行详查,为着陆巡视器的下一步着陆做好准备。

成功着陆火星,“天问一号”还要迈过几道关?

  “天问一号”在进入火星轨道后还要迈过两道难关,国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰在接受媒体采访时介绍:

  第一道难关,在火星轨道上环绕2至3个月之后还要寻找一个非常好的小窗口,让它进入到火星大气并完成着陆。火星是有大气的,其大气的密度是地球大气的1%左右。它在减速过程中有大气减速、气动减速、降落伞减速,还有反推发动机减速,最后靠着陆腿着陆在火星表面,吸收撞击的能量,这个过程非常难。由于距离相当远,从火星回传到地球控制地面站也有很大时延,不可能实现实时控制。所以,进入、减速、软着陆这个过程是靠天问一号自主完成一系列动作,不是靠地面控制。

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▲“天问一号”着陆平台和火星车效果图,火星车重约240千克,约为玉兔二号月球车的两倍。图/国家航天局

  第二道难关,软着陆在火星表面后,工作还不算做完,还要把火星车释放到火星表面上,让它走起来并开展探测。火星车上6个科学仪器要发挥作用,难度也很大,因为我们对火星表面的环境认知还相当少。如果软着陆在火星表面上,落得不够平坦或姿势不够正,火星车怎么开下来呢?可以从轨道的前面下,也可以从后边下,就看当时落下去的姿态、地形等情况。

为什么登陆火星这么难?

  火星被称为人类探测器的“坟场”。几十年来,火星探测成功率不到50%。刘彤杰表示,火星探测从上世纪60年代就已开始,那个时期由于对火星的认知还比较少,航天技术又在初创起步阶段,因此刚开始失败略多一些,但后来的失败和火星探测技术难度大有很大关系,主要有以下几点:

  第一,需要庞大的运载火箭把探测器运送到轨道上,让它能够环绕火星探测,甚至软着陆在火星表面。今年的火星探测任务中,我国使用长征五号运载火箭。

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▲所谓最佳的火星探测窗口期指的是,火箭通过一个叫做“霍曼转移轨道”时,能恰好地抵达火星,这就是火星最佳的探测窗口期!图为“霍曼转移轨道”模拟图。

  第二,发射窗口期非常局限。根据地火在太阳系的相对运动关系,约26个月出现一次从地球发射探测器到火星的机会,每一次机会有半个月到一个月左右的时间,而每天火箭发射探测器有30分钟左右的发射机会,这就是所谓的“窗口期”。

  第三,距离遥远。火星最远距地球有4亿公里,大家都知道月亮距地球最远距离只有40万公里。这就使得深空测控通信上有延迟。当地球和火星距离达到4亿公里时,时延可达到20多分钟,这就带来一个问题,探测器自主探测能力一定要强,这是它另外一个难度。

  第四是“近火捕获”,让火星把探测器捕获。

  第五,进入、减速和软着陆于火星表面的过程也非常难,这就是火星探测几大难点。

火星探测与月球探测有哪些不一样?

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▲2020年10月30日,在上海举办的2020全球技术转移大会上拍摄到的“天问一号”火星着陆器与巡视器(火星车)等比例模型。

  事实上,相对于火星探测而言,人类对月球探测已经做了大量尝试,成绩斐然,但目前火星依旧人迹未至,火星探测与月球探测究竟有哪些区别呢?

  中国科学院文献情报中心“空间光电与重大科研设施”团队情报咨询师郭世杰表示,虽然我国已经多次完成月面软着陆任务,并且成功在月球表面部署了“玉兔”号月球车,但是火星的环境和月球大不相同:火星拥有稀薄的大气层,如果着陆器隔热措施没有做好,就可能导致着陆器因与大气摩擦生热而报废;火星表面的引力加速度(相当于地球的38%)比月球引力(相当于地球的17%)强得多,使下降着陆过程更加紧张、惊险;火星上有比月球更复杂的地貌和风暴、沙尘暴等天气,可能导致火星巡视器的太阳能电池板失灵;火星比地球和月球距离太阳更远,单位面积接受的太阳能量只有月球的40%,导致火星巡视器的能源效率更低等。

  不仅如此,我国在进行月球着陆任务之前已经积累了多次月球探测经验,对月球地形、环境已经比较熟悉,“天问一号”则是我国首次成功抵达火星附近的任务,需要在缺乏关于火星大气、地表环境的一手数据的情况下,一次性完成“绕、落、巡”三大目标,技术挑战和难度不可谓不大。

  让我们共同期待,“天问一号”突破重重难关,带回更多好消息!

来源:新华网思客综合

策划:刘娟

监制:唐心怡

编辑:孙惠

校对:周佳苗

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