“天问一号”闯过“恐怖9分钟”,背后到底有多难?

2021-05-15 09:24:11 上观新闻

这一刻必将被历史铭记。

5月15日 ,我国首个火星探测器天问一号”稳稳降落在首选落点——火星北半球的乌托邦平原,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。

天问一号探测器自2020年7月23日成功发射,精确入轨后已按预定飞行程序在轨飞行了约295天。5月15日凌晨1时许,“天问一号”在火星停泊轨道上进入着陆窗口,探测器实施降轨,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,成功软着陆于预选着陆区。两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器提供中继通信。

这次天问一号的成功软着陆,书写了中国航天的又一个传奇。

这一步实在太难、太惊险了。从开始踏上进入点的那一刻起,天问一号就迎来了此次探火旅程中最为凶险和惊心动魄的“恐怖9分钟”。整个降落过程大致分为进入-下降-着陆三步,简称为EDL(Entry、Descent、Landing)。天问一号在进入火星大气层以后首先借助火星大气,进行气动减速,这个过程要克服高温和姿态偏差。

气动减速完成后,天问一号的下降速度也减掉了90%左右。紧接着,打开降落伞进行伞系减速,当速度降至100米/秒时,通过反推发动机进行减速,由大气减速阶段进入动力减速阶段

在距离火星表面100米时,进入悬停阶段,完成精避障和缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构的保护下,抵达火星表面。

总的来说,整个过程天问一号在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至到0米/小时。

目前,人类火星探测任务成功率仅有五成左右,大部分失败都是折戟在“EDL”这一阶段,这也是火星探测最大的难点。难就难在,这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆,而且整个环节都必须确保精准无误,差一秒都可能造成整个任务的失败。譬如,首当其冲的减速问题上,超音速降落伞是难度最大的一个环节,天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开,而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。

值得一提的是,虽然此前我国已有月表着陆经验,但是此次天问一号火星软着陆任务更加艰难。

其一,与月球探测任务相比,火星探测不仅要面临最远4亿公里的遥远距离,通信时延单程达到20分钟左右,因此整个着陆过程相距遥远的地球来不及做任何处置,只能靠天问一号自主完成。

其二,火星环境与地球环境有较大差异,火星大气稀薄,受季节、夜昼、火星风暴等影响非常不稳定;同时,表面地形复杂,遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物,尘暴较地球也更为严重。面对这样的未知环境,我国没有火星大气模拟实测手段,也没有经过飞行验证后的数据。可以说,以上种种因素都给着陆火星带来极大难题,任何一个因素考虑不周,都可能功败垂成。

为此,早在“EDL”前,天问一号在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测,获取了大量的着陆区地形地貌的数据,并对火星尘暴发生的概率进行了评估。同时,火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术,以确保安全着陆。在上述这些措施的基础上,我国科研人员还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道-升力式进入方案,以降低火星大气参数不确定性带来的风险,提高适应能力。

天问一号成功登陆火星后,我国第一辆火星车“祝融号”将在着陆一个星期后驶出着陆平台,开启中国首次火星巡视之旅。届时,我国将成为世界上第一个首次通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视探测的国家,也将成为世界上第二个实现火星车安全着陆和巡视探测的国家。

栏目主编:刘锟 本文作者:刘锟 文字编辑:刘锟

延伸阅读

天问一号明明比美国提前7天发射,为何却落后86天着陆火星?

成功了!天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,这意味着我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

虽然我国不是第一个探测器登上火星的国家,但要知道的是,美国并不是通过一次任务的,而是耗费了几十年的心血,而我国只用了一次任务,就成功实现了围绕火星“绕、巡、落”三个目标。

2020年7月底左右是探索火星的发射窗口,如果这个发射季不进行发射,就需要再等2年的时间。在这次发射季,中国和美国都发射了弹射器。

  • 2020年7月23日,中国的“天问一号”在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空;
  • 2020年7月30日,美国的“毅力”号火星车从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地升空。

经历了7个月的星际旅行,两个探测器也相继抵达火星附近。

  • 2021年2月10日19时52分,中国的“天问一号”探测器成功进入火星轨道;
  • 2021年2月19日凌晨4点55分左右,美国的“毅力”号火星车安全着陆在火星杰泽罗陨石坑内。

三个月后,也就是现如今我国的火星车祝融号,成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上留下了自己的足迹。

那么问题来了,明明中国的“天问一号”更早发射,也更早抵达,却要等3个月的时间才登陆火星,而美国的“毅力”号火星车却直接登陆火星了?

天问一号与毅力号

在天问一号之前,中国并没有发射任何探索火星的探测器,而美国仅仅成功登陆火星的探测器就有9个,分别是海盗一号、海盗二号、探路者、机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号、洞察号,毅力号。

因此,美国的“毅力”号火星车出发之前,已经对火星的情况很了解,目的也很明确,就是登陆到火星进行实地的科研探索。我国天问一号情况不一样,这是第一次前往,在火星附近没有任何其他中国的探测器,只能自己多带一些装备。

不仅如此,天问一号这次去,路也不熟,对火星表面的情况也不熟,可是又要把祝融号火星车放到火星表面上,这个难度是非常大的。如果要确保祝融号安全着陆火星,就需要对火星的情况有一点的了解。于是,天问一号会先对火星的情况进行探索。

大概有半个月的时间,天问一号没干别的,就是不断调整轨道,拍摄高清的照片以及考察火星表面的地形地貌。要知道美国的“毅力”号火星车出发之前,就已经手握登陆地点的高清照片了,所以美国的“毅力”号火星车压根不需要先对火星进行了解。

除此之外,火星的沙尘暴很厉害,如果祝融号一上去遭遇沙尘暴,那大概率会前功尽弃。基于科学家们通过对火星历年气象数据的了解,他们发现从历年的火星气象数据来看,要登陆到火星乌托邦平原,5月中下旬着陆是一个比较安全的选择,遇到沙尘暴的概率要相对低一些。

从2月中旬到5月的中下旬大概就是3个月的时间,所以这3个月的等待时间是十分必要的。而帮助祝融号收集资料大概需要半个月的时间,那是不是意味着剩余的2个半月就浪费了?

答案显然是否定的。天问一号实际上非常忙碌。我们要知道对于火星的探索不仅仅只有登陆表面探索这么一件事情。在火星上空不同高度对火星进行空间环境的科学探测也是十分必要的,这有助于人类了解火星的磁场,电离层以及太阳风等情况,这同时还有助于我们下一次执行火星任务。

在等待着陆的这段时间里,天问一号在不同的轨道高度对火星进行了全方位的了解,掌握了许多关于火星的第一手资料。因此,天问一号执行的是三大任务:绕、落、巡,而不是简单地一个任务。

恐怖七分钟

祝融号火星车着陆火星表面的过程中,由于探测器的保护罩和火星大气摩擦,隔绝了探测器与外界的联系,所以探测器在降落的过程中,地球上的科学家什么都做不了,这段时间也被称为:死亡7分钟

联系不上也就算了,关键是这个降落的难度还特别大。当探测器进入到火星大气层后,最高时速可以达到18000千米/时,也就是5000米/秒。要想成功降落到火星上,就需要把探测器的速度快速降下来。祝融号火星车会在自身处于超音速的情况下,打开减速降落伞,并且启动反冲火箭来进行减速,最终达到安全着陆的速度。

这里多说一句,祝融号火星车采用的降落伞大有来头,属于超音速降落伞,是现在最先进的技术。而祝融号火星的重量不需要用到这样的降落伞。之所以还这样操作,是为了下次火星探测任务做进行技术验证。

祝融号火星车着陆火星后,我国成为了第二个成功把火星车放到火星上的国家,并且是通过一次火星探索任务,就成功将火星车放到火星,这是令人不可思议的成功。

我国虽然航天事业起步时间较晚,但却大有后来者居上之势,这一次,中国令世界刮目相看。

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(责任编辑:李曦_NN2587)

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