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天问一号探测器成功着陆火星!
送交者:  2021年05月15日06:40:50 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


2021-05-15 08:40:25字号:A- A A+来源:人民日报客户端等
最后更新: 2021-05-15 09:46:30

记者从国家航天局获悉,科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,5月15日,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,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

天问一号着陆过程模拟图 图自航天科技五院

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。后续,“祝融号”火星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。


我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项,计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视,对火星进行全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器包括“祝融号”火星车及进入舱。探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正,于2月10日,成功实施火星捕获,进入大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星。2021年2月24日,天问一号探测器成功实施第三次近火制动,进入周期2个火星日的火星停泊轨道后,对火星开展全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析地形地貌、沙尘天气等,为着陆火星做准备。任务实施过程中,中国国家航天局与欧空局、阿根廷、法国、奥地利等国际航天组织和国家航天机构开展了有关项目合作。目前,探测器已在太空运行295天,距离地球约3.2亿千米。

天问一号 图自航天科技五院

火星探测风险高、难度大,探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战,同时受远距离、长时延的影响,着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术,实现了我国首次地外行星着陆,是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

天问一号 图自航天科技五院

着陆:9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。


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。

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。

(人民民日报客户端、科普中国等)


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