诸平
[转载]祝融号从火星发来“短信“:天问一号成功着陆!登火星有多难?“惊魂九分……
2021-5-16 20:57
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祝融号从火星发来“短信“:天问一号成功着陆!登火星有多难?“惊魂九分……

人民资讯

发布时间: 2021-05-15 10:17,人民网人民科技官方帐号

历史性一刻!2021年5月15日,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,在火星上首次留下中国印迹,迈出了我国星际探测征程的重要一步。

后续,祝融号火星车——这辆以中国神话传说中火神命名的小车,将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。

天问一号探测器于2020年7月23日发射,在今年2月到达火星,成功被火星捕获。经过3个月的养精蓄锐,终于完成中国首次火星着陆。

近年来中国在空间技术领域捷报频传,从去年的北斗三号成功组网向全球提供北斗服务,到4月29日,中国空间站工程首个航天器天和核心舱成功发射。期待“祝融”号早日在火星上开展相关科学探测任务。

绕着火星等待了三个多月

火星,太阳系内自然环境与地球最为接近的星球。几十年来,它一直是人类深空探测最热门的焦点,也是人类最有可能登陆的下一个地外天体。

2020年7月23日我国首个火星探测器“天问一号”在海南文昌发射。“天问一号”离开地球7天之后,NASA的毅力号也踏上了奔赴火星的旅程。

天问一号由着陆-巡视器(简称“着巡器”)与环绕器组成,落火之后着巡器又分体为着陆器和巡视器两部分,巡视器就是前段时间刚刚公布名称的“祝融号”火星车。

今年2月10日,经历半年多的飞行,“天问一号”探测器完成“刹车”减速,开始它的环绕火星之旅。出发半年多,它已经距离地球1.7亿公里,而总飞行里程超过了4.5亿公里。

这是国家航天局公布的天问一号拍摄的高清火星影像图。新华社发(国家航天局供图)

2月18日,NASA的“毅力号”抵达火星,当天直接着陆。为什么“天问一号”要多等三个月呢?

其实,入轨后的“天问一号”并没有闲着。它先是花了半个月时间多次调整轨道,让自己观察火星的距离更近一些,视角更好一些;然后是仔仔细细考察火星地形,拍摄高清照片,为火星车考察着陆区地形。

图片来源:中国航天报

人类探索火星数十年,但获取的火星表面高分辨率影像数据有限。在“毅力号”着陆前,NASA已经利用其火星轨道飞行器,在着陆区拍摄高清照片。也就是说,“毅力号”是带着高清地图去火星的。

天问一号探测器火星捕获过程影像(定向天线监视相机画面)

而“天问一号”选择降落的乌托邦平原,至今人类所获取的数据仍然有限。没有高清照片,就只能自己拍摄。正所谓“磨刀不误砍柴工”,“天问一号”等待的三个月非但不“墨迹”,而且还是必要的。

“天问一号”是中国首次火星探测任务,也是个高度复杂的任务,将一次性实现火星环绕、着陆和巡视三大工程目标,以及通过13台科学仪器对火星进行全方位科研,任务整体难度巨大。此前中国对火星的详细了解有限,目标着陆区域的最新地形地貌和气象条件等也可能相对科研成果有一定出入,着陆器/巡视器组合体也必须依赖稳定运行的环绕器才能成功。因而,入轨火星后必须采取分步走的策略。

看了下面这个视频,

你就明白天问一号是如何着陆火星的

↓↓↓

来源:中国航天报

5月15日凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道。

4时许,着陆巡视器与环绕器分离。历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。

从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。我国天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段,历时“惊魂九分钟”。

两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信,搭建起地球和火星之间的通信桥梁。

后续,“祝融号”火星车将依次对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。

为什么选择乌托邦平原?

“祝融号”选择在乌托邦平原着陆,一方面是因为工程风险低。火星南北半球的地形地貌、地质构造等差异巨大——火星南部为古老高地,坑多,60%的面积遍布陨石坑;而乌托邦平原所在的火星北部,是被火星熔岩填平的低矮平原,地形平缓,陨石坑较少,且地质年龄较轻,地壳较薄。

另一方面,选择乌托邦平原着陆是因为科学价值高。长期以来,人们最关注的是火星上是否存在生命。研究人员分析,乌托邦平原很可能是远古火星海洋的所在地,“祝融号”着陆的地点在古海洋和古陆地的交界处。

最新的科学探测发现,在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方,存在大量地下水冰,储水量相当于地球上面积最大的淡水湖。想知道火星上到底有没有生命,乌托邦平原是一个绝佳的探测点。

火星乌托邦平原(拉丁语:UtopiaPlanitia),又译作乌托邦低原,为火星上最大的平原,直径3200公里,中央为49.7°N118°E*(火星经纬度),位于阿尔及尔平原的对跖点上。火星乌托邦平原也是1976年9月3日海盗2号在火星上的着陆与探索区域。

登陆火星究竟有多难?

我们生活在地球上,可以通过很多方式去监测地球大气的风速、气压和密度,从而确保航天器再入大气时的安全。然而,人类对于火星的大气环境知之甚少,导致登陆火星充满了未知的危险,很多登陆火星的探测器都是殒命于此。

另外,登陆火星对于探测器的自主降落能力提出了极高的要求。这是因为地球和火星相距遥远,通信存在很大的延迟,地球上的控制中心不可能实时控制着火星上的探测器。

图片来源:中国航天报

目前,火星正是远离地球的时候,地火的距离达到了3.18亿公里。从地球上发射出的无线电信号以光速传播,也要17.7分钟的时间才能抵达火星。因此,只能全权交由探测器自主降落火星。

因此,登陆火星的难度极高。在天问一号之前,已经有20个探测器尝试登陆火星,其中只有10个成功登陆,成功率仅为50%。最早登陆火星的是苏联发射的火星3号,它于1971年首次成功登陆火星,但它登陆后只运行了14秒。

美国的成功率最高,NASA先后10次尝试登陆火星,9次取得成功,只有1999年发射的火星极地着陆者号在登陆火星时失联。最早登陆火星的是1976年的海盗2号,它与天问一号一样,也是登陆乌托邦平原。最近一次是在今年2月19日登陆火星的毅力号,它还带了一架无人直升飞机——机智号,并在火星上实现首飞。

由此可见,我国一次就成功登陆火星有多么不容易。

“祝融号”有哪些绝招?

此前,中国首次火星探测任务总设计师张荣桥曾对外公布“祝融号”火星车的配置细节:火星车质量约240公斤,为6轮独立驱动,携带6台载荷,其太阳翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地将“祝融号”火星车比喻为“火星蝴蝶”。

火星环境是出了名的恶劣,要想完成使命,“祝融号”火星车必须足够强大,努力“活下来”。中国曾数次造访月球,积累了宝贵经验。但月球与火星最大的不同,在于月表近乎真空,而火星有大气层,这大大增加了探索火星的难度。

从以往火星探测器拍摄的图片来看,火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。但事实上,火星上的风速可达每秒180米,这几乎是地球上特大台风风速的三倍多。这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘、石块,形成特大沙暴。

在今年早些时候,“祝融号”火星车总设计师贾阳介绍,我国的火星车太阳能板采用表面工程技术除尘法,这个技术的关键是超疏基结构,身边的汽车防尘玻璃、防尘贴膜等都是这个原理。类似下雨时荷叶上的水珠,遇风可以很容易滚落。这种材料可以让“祝融号”的太阳能板不易沾染灰尘,还可以通过振动抖掉灰尘。

此前,美国宇航局(NASA)的“机遇号”火星车正是因为遇上火星沙尘暴,太阳能板蒙尘,最终与地球失联。

火星表面还密布着石块等障碍物,这就使得火星车的行驶需要更加“小心翼翼”,以免被障碍物卡住造成操作的迟滞。那如何才能火星车的每一步都走得更加稳妥呢?设计师们也想出了应对之策。在中国航天科技集团五院的实验室中,有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”在火星上遇到复杂路况时,地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶,确认无误后才会发出指令。

按照计划,在紧张工作90个火星日后,“祝融号”火星车将结束巡视探测工作,天问一号环绕器也将进行轨道调整,从而开展环绕科学探测。

也可以浏览美国《国家地理》(National Geographic)网站的相关报道:

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