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火星上首次留下中国印迹:中国成为第3个触摸这颗红色星球的国家

前段时间,大家纷纷投身于起名的热潮。我们的第一辆火星车,因此拥有了这个具有独特意义的名字——“祝融号”。就在刚刚,八点二十左右,天问一号火星着陆器成功着陆火星。我国首次火星探测任务天问一号火星着陆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!中国成为第3个触摸这颗红色星球的国家!

本文专家:刘艳,中国科学院空间应用工程与技术中心

对于“祝融号”,大家在关注的同时也有很多好奇。比如:为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆?祝融号着陆整个过程大概多久?火星登陆会遇到哪些严峻考验……

接下来就为大家一一揭秘!

为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆?

拍照、勘察着陆区。

2020年7月,天问一号发射奔火。

今年2月10日,天问一号进行高难度的刹车制动,成功被火星引力捕获,成为我国第一颗环绕火星的人造卫星。

2月24日,天问一号进入火星停泊轨道,开始运行约3个月。

那么,为什么要绕行这么久呢?

万事俱备再着陆。天问一号任务作为中国第一个火星探索任务,既需要通过变轨实现对火星各区域的探测覆盖,也会对火星的着陆区进行综合考察,包括成像、勘察,还需采集火星大气等数据,为接下来的着陆火星做好准备。

不仅考察需要时间,数据的分析处理也需要时间,在准备充分以后,天问一号就会释放着陆器,将祝融号火星车送上火星表面。

祝融号着陆的过程怎样?大概多久?

9分钟,“疯狂”刹车。

祝融号着陆器从轨道着陆的过程(Entry Descent Landing EDL)如图所示,大概可以分为降轨、分离、减速、悬停、着陆5个阶段。

着陆过程,来源:中国航天报

① 降轨

在下降前5小时,天问一号建立降轨姿态,轨道器发动机点火降低,进入近火点50公里的大椭圆轨道。

② 分离

在距离地面100多公里处,实现轨道器和着陆器分离。不妨把此时的时间作为进入大气的起点,自此开启约9分钟的着陆。

两器到达安全距离后,轨道器立即点火,抬升轨道进入中继轨道(环绕轨道)。轨道器升轨同时,也实时拍摄监测着陆器的下降过程。

③减速

两器分离后,有三个减速过程。分别是气动减速、伞降减速、动力减速。

一、气动减速,靠大气摩擦减速。此时展开配平翼,随着防热大底和大气不断摩擦,飞行器速度逐步降低,此阶段为纯气动减速段,消耗将近90%的速度,超音速减速伞打开。

二、伞降减速,超音速减速伞打开,此时高度约11公里,减速伞使用的是盘-缝-带设计伞。此时着陆器将先后抛掉防热大底和背罩轻装着陆。

三、动力减速,在着陆器同背罩分离同时,发动机点火,对地雷达随机开机,着陆缓冲机构(四条着陆腿)展开。

④ 悬停

通过调整发动机推力,使着陆器在高度100米时,速度为0,达到悬停的目的,着陆器下方的对地相机同时拍摄下方图像,自主分析并选择相对平整适宜着陆的点。着陆器调整姿态,前往着陆点,并开始下降。

着陆模拟,来源国家航天局

⑤ 着陆

通过着陆腿的缓冲机构抵消剩余的动能。着陆器缓缓降落在火星表面,此时垂直速度和水平速度都非常小,通过着陆腿的缓冲抵消剩余的动能,类似与人从高处跳下时的下蹲。

着陆过程中遭遇了哪些严峻挑战?

天问一号任务一次性完成“环绕、着陆、巡视”三大步,着陆是其中最复杂、最难的部分。

着陆过程,是着陆巡视器从进入火星大气层到降落到火星表面的过程,整个过程大约9分钟。虽然时间短暂,却是整个飞行任务中的一道顶级难题。

挑战1:信号延时—超过10分钟

轨道器和着陆器的分离决定任务成败。

天问一号距离地球非常遥远,信号单程时延10分钟以上。地面无法进行实时测控干预,探测器会自主执行预先注入的指令,并自行判断指令执行的效果。一旦发现问题,必须在极短时间内进行自我诊断,排除故障。

挑战2:刹车难控—历史成功率50%

人类迄今共实施47次火星探测任务(含2020年7月的3次发射任务),成功或部分成功的仅25次,成功率刚过50%。而对火星着陆任务,目前共实施22次,算上此次,仅成功10次,中国此次火星探测任务在世界航天史上亦是创举。

挑战3:险点难料—智能化要求高

着陆受火星大气的影响,如果突然火星起沙尘暴那样极端的气象那有可能造成严重后果。此外热防护、降落伞,减速也是重要风险点。

降落过程,目前中国尚未在外太空使用过降落伞,这是中国首次以降落伞的方式软着陆到地外行星。这个着陆过程与地球通信的延时很长,因此对自主性、智能性、实时性的要求更高。

减速过程要求非常精确,减速控制如何足以决定任务的成败,如果速度没降下来,那着陆器就砸到火星表面,砸了一个坑不说,祝融号也会坏掉,前面的努力都会白费。

另外姿态控制也很重要,如果没控制好,着陆时“四脚朝天”那就麻烦了。

相比地球和月球,在火星表面着陆更加复杂。火星表面也笼罩着大气层,但大气密度仅为地球的0.6%~0.7%。航天器在进入火星的过程中,一方面无法单纯依靠大气降低到安全速度,同时又必须考虑空气摩擦产生的热量冲击。

从目前火星地貌影像看,火星地形复杂程度超过月球,与地球、月球的地形很不一样。

开展巡视探测工作的过程中,祝融号也将面临地形、能源、路况、沙尘、通信等各种挑战。

着陆点为什么选乌托邦平原?

着陆点选择需要综合科学与工程2方面进行考虑,以尽可能的降低工程风险,并提高科学探测价值。

“天问一号”火星探测任务的首选着陆点位于火星乌托邦平原,是火星上最大的平原,其表面下可能有大量的水冰储备。在科幻系列《星际旅行》中,乌托邦平原就是星际联邦的主要造船基地。

如果有一天,太空机构将人类送上火星,水将是一种至关重要的资源,因为它既可以维持宇航员的生命,也可以分解成氢和氧作为火箭燃料。

飞往火星的宇宙飞船不太可能携带足够的水、氧气和氢气,完成往返火星的整个旅程。

火星车上搭载了6种科学设备,包括可用来拍照导航的地形相机及雷达、测量火星气象的气象仪、火星表面磁场探测仪、火星表面成分探测仪等,为完成火星表面巡视探测和科学研究保驾护航。祝融号预计在火星表面工作90多天。

那么,着陆器着陆后,轨道器干啥去了?

轨道器降轨,变身“火星遥感卫星”。火星表面巡视探测任务结束后,轨道器将降轨到椭圆形的遥感任务轨道,又变身为“遥感卫星”。

它将绕火星飞行约1个火星年(约2个地球年),完成火星全球遥感探测任务,同时兼顾祝融号火星车的中继通信。

预计着陆后的第8个火星日,中国首辆火星车将缓缓驶下着陆平台,在乌托邦平原上轧下第一道印记。

在此祝愿

祝融号冲破重重关卡

在人类火星乌托邦探索的旅程中

留下中国“火星人”的足迹

祝融号!加油!

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