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中国火神踏上火星!祝融号火星车着陆火星十大问题详解

时间:2021-05-15 08:48:24 来源:中国科普博览


出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2021年5月15日,在经历了296天的太空之旅后,天问一号火星探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体,成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部,实现了中国航天史无前例的突破:天问一号,成为中国首颗人造火星卫星。祝融号,成为中国首个火星巡视器(火星车)!

中国成为继苏联、美国后第三个真正“踏上”(成功着陆)火星的国家,也是首次火星探测即实现着陆的国家。

天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图(图源:国家航天局)

在中国神话体系中,祝融是为华夏民族传下火种的创世祖神之一,教会了古人学会用火。中华文化源远流长,这个充满文化色彩的称号,在全网投票中脱颖而出,成为中国首个火星车的大名。

天问,问天!祝融,探火!中国航天在用极致的浪漫组合将神话变成现实。

关于祝融号,大家是不是存有许多疑问?本文就带你详细解读十大疑问,全方面了解它的着陆之旅和对中国乃至世界航天的意义。

问题一:为什么要着陆火星?

火星是地球的近邻,与地球同为岩质行星,元素组成和基本结构与地球相似,它的成长与演化历史也揭示着地球的过去和未来。火星上拥有空气、水源和有机物存在的痕迹,个头虽小表面积却与地球的总陆地面积接近,各方面条件都远优于另一个近邻金星。

地球和火星对比(图改自:NASA)

在具体探测技术方面,人类先后有过四大方案:“惊鸿一瞥”的飞掠,仅在探测早期技术不成熟无法入轨环绕火星、或兼职探测火星时使用;“登高望远”的环绕,通过稳定环绕全方面探测火星总体情况,但无法看清细节;“明察秋毫”的着陆,抵达火星表面近距离接触,但仅能定点探测;“自主移动”的巡视,能在火星表面探测更大的范围。

受限于所携带的电力和通信天线能力,着陆和巡视任务几乎无法直接与地球通信,必须依赖环绕器的信号中继服务。前往火星期间,它们也需要导航、通信、能量等服务。因此,环绕器是所有火星探测任务的基础。

2020年10月1日天问一号分离测量传感器完成的“深空自拍”(图源:国家航天局)

我国首次火星探测时,天问一号仅在一次任务中就同时实现“环绕”、“着陆”和“巡视”三大目标,实现对火星从天到地的立体观测。其中,自由移动的祝融号着陆火星后,能将火星表面各种细节直观地全方位展现出来,这一成果的意义是不可取代的。总体上,近些年来人类探测火星的任务中,天问一号可以说是“复杂度之最”,这体现了中国航天事业快速发展带来的巨大信心。

问题二:为什么抵达火星后耐心等待了三个月才着陆?

一方面,环绕器的完全成功是探测火星的基本前提。在环绕器稳定后再进行着陆操作,可以为着陆巡视组合体提供更大的选择余地和容错空间。另一方面,中国还缺乏对火星的全面了解,着陆区的实际地形地貌和气象条件等都需要详细勘察。因此,抵达火星后,需要花一定时间研究勘察。否则,贸然着陆的风险可想而知。

2021年2月10日19时52分,天问一号环绕器携带着陆巡视组合体,成功切入环绕火星轨道并成为火星的一颗人造卫星。随后它们完成了三大步骤:

1.火星上空“侧空翻”:2月15日,在远火点处将轨道调整为能覆盖火星全球的极地轨道,从靠近赤道的“横着飞”变成“纵向飞”,视野大大增加。近火点则锁定在乌托邦平原等低纬度区域,为后续科研和勘查做准备。

2.进入“停泊轨道”:2月24日,天问一号成功调整到这条过渡轨道,距离火星更近、周期更短,每两个火星日环绕一周。在这条轨道稳定运行三个月期间,详细勘察着陆区域。

天问一号在停泊轨道运行期间,发回了多批次天问一号拍摄的高清图像,有些成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见(图源:国家航天局)

3.各项仪器开机:天问一号携带了13台主要科学仪器,其中环绕器上有7台,重点是在近火点时利用中分辨率相机和高分辨率相机等对火星表面高清成像。三个月时间的调试校正后,所有仪器系统都达到最佳工作状态。

问题三:为什么着陆过程是“恐怖九分钟”?

火星着陆持续时间受一系列因素影响,如冲入火星大气的速度、角度、地点和时间,着陆地点的地形地貌特点(尤其是高度),着陆期间的气象条件,具体着陆技术方案和细节等,总体着陆时间在7-10分钟不等。祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原,总着陆时间在9分钟左右,也被叫做“恐怖九分钟”。

这是因为:火星虽是近邻,但与地球的距离在5500万千米到4亿千米之间变化,远超月球。这不仅意味着一次火星探测任务动辄需要飞行7-11个月,还意味着从地球上发出信号与火星通信,至少需要6-45分钟的双向通信时延。火星大气稀薄,引力较小,整体着陆过程仅持续数分钟,期间根本不可能在地球上进行控制,这个过程必须依靠着陆组合体独立自主完成。

2000-2022年地球和火星距离变化,各火星探测任务在太空中飞行的时间区间

此外,火星半径为3400千米左右,约为地球的一半,表面引力约为地球的38%,表面空气密度不足地球海平面的1%水平,但这并不意味着着陆火星难度低。实际上,着陆火星的困难程度远远超过了月球。虽然大气可以给着陆巡视组合体带来一定的气动减速能力,但密度太低不可能减速到理想的着陆状态,最后一定需要反冲火箭工作悬停降落。为应对不可避免的大气冲击、摩擦和积累的热量,着陆巡视组合体还必须增加气动、隔热、避震等防护结构,重量、复杂度和成本等大幅度上升,风险系数也大大增加了。

因此,当地球上的航天人通过精确计算得知祝融号正在火星独立完成各项着陆操作、却不得不耐心等待信号回传时,这种焦急的体验不可谓不“恐怖”。

问题四:着陆期间,祝融号到底经历了什么?

在最终确认开始着陆指令后,着陆巡视组合体会与环绕器分离,开启独立着陆之旅。期间姿态控制发动机工作,严格控制着陆轨迹角度与方向。如果冲进火星的角度过大就会超过隔热层能忍受的极限,如果过小任务就会像打水漂一般滑入深空。

冲入火星大气后,5千米/秒级别的速度依然导致稀薄的大气冲击和摩擦产生了巨大的震动和热量,足以融化大部分金属。通过隔热大底和多种散热手段,着陆巡视组合体的温度依然能保持常温。期间速度骤降到数百米/秒,巨大的降落伞在火星上空约10千米的高度打开。

随着速度的迅速降低,已经被烧蚀得不成样子的隔热大底没有存在的必要了,对这一功臣的“回报”是:它将被抛离并直接脱落在火星表面。此时,暴露出来的底部雷达和工程相机等立即开始急速工作,紧盯目标着陆区域,分析与预计的匹配程度,让控制导航计算机快速解算最佳着陆方案。初步选定期间,速度已经降至100米/秒以内,降落伞功成身退,此时才是大戏上演的时刻。

各火星着陆任务初始阶段流程接近,图为毅力号火星车部分着陆流程示意(图源:NASA)

着陆巡视组合体依靠底部强大的反冲火箭工作开始减速,各种传感器进一步仔细检查地面情况,避免乱石堆、斜坡、沟谷的特殊地貌,找寻最佳着陆角度和姿势。随着速度进一步降低至悬停避障状态,着陆巡视组合体近距离火星表面数米高。最后阶段火箭停止工作,尽力减少火箭工作扬起沙尘等因素对它们的影响,着陆巡视组合体成功降落火星表面。

2019年11月14日,着陆巡视组合体悬停避障试验在河北怀来外天体着陆综合试验场进行,这也是祝融号首次公开亮相(图源;央视新闻)

众多复杂的动作,犹如在火星独自“刀尖上起舞”,稍有不慎便会任务失败,难度可想而知,了不起的成就!

问题五:祝融号怎么获取能量?

祝融号是天问一号全程呵护的“掌上明珠”。在飞行、环绕和着陆期间,环绕器和着陆器全程为它保驾护航,提供重要的通信、能量和动力服务。但是抵达火星表面后,着陆器将放出导轨,祝融号必须开机,在经历数天能量积累后,最终走出“温室”、依靠自身能力独立生存。

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