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就在刚刚!成功着陆!火星,我们来了!

林文杰 科创中国 2023-01-04

作者丨林文杰,工程师,川陀智库高级研究员


据国家航天局消息,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。

经过将近半年的深空飞行,天问一号探测器在今年2月抵达火星轨道,又经历了3个月左右的在轨等待和调试之后,天问一号着陆器在5月15日成功登陆火星。

天问一号,图片来源:央视新闻

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。


飞行中的天问一号,图片来源: 国家航天局


这次天问一号着陆器登陆火星标志着我国第一辆火星车祝融号已经准备就绪,对火星车登陆地点的轨道勘察也全部完成。


天问一号任务突破了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,是人类航天史上的一次壮举。


天问一号是如何着陆火星的,视频来源:中国航天报


4月24日,在江苏南京举办的2021年中国航天大会上,国家航天局宣布了我国第一辆火星车的名字——“祝融号”。


“祝融号”的命名有两个基本要点:第一,与嫦娥工程的命名来源保持一致,都是取自我国传统文化;第二,祝融指的是中国上古神话中所提到的火神,与火星有关联,因此中国第一辆火星车被命名为祝融。


天问一号探测器在进入火星轨道之后,已经完成了三次近火制动,进入近火点265公里,远火点5.9万公里的轨道上。


天问一号进入火星停泊轨道,图片来源:央视新闻


5月14日时,天问一号探测器还是一个组合体,由轨道器和着巡组合体构成,然后着巡组合体将与轨道器分离,前者进入火星大气层降落,后者提升轨道,进入远火点1.2万公里的轨道上运行。

 

着巡组合体是怎样降落的?

 

天问一号探测器的着巡组合体由“祝融号”巡视器和着陆器组成,着陆装置的功能是抵御在穿越火星大气时产生的高温,因此在前端有个巨大的整流罩。


虽然火星大气比较稀薄,但仍然会产生极高的温度,根据美国宇航局好奇号、毅力号降落火星时的数据,隔热装置前端产生的温度可达到2100℃,最高温度大约在着陆器进入火星大气75秒后发生。


最高温度持续时间长达10秒,这对着陆器隔热装置的性能提出了极高的要求。


同样是软着陆,火星和月球有较大的不同,嫦娥工程中的嫦娥3号、4号和5号着陆器都没有携带所谓的“隔热装置”,而是使用了7500N变推发动机控制,这是因为月球几乎没有大气结构,不存在隔热问题,只需要保持姿态即可。


而火星则不同,火星上的大气虽然只有地球的1%,但也算是有大气结构,航天器在进入火星大气层时会与大气分子发生相互作用,形成极高的温度。


所以,天问一号前端有个弹头状的整流罩——隔热盾。


天问一号组合体在地面上的情景,图片来源:国家航天局


着巡组合体会以每秒4.9公里左右的速度接触火星大气顶部,然后开始大约9分钟的全自动着落。由于降落过程中会形成等离子体层包裹组合体,以及火星与地球之间的距离太远,信号传输时间超出了火星车的降落时长,也就是说,“祝融号”的降落过程是全程自动化处理的,当我们收到来自火星的信号时,它应该已经处于火星表面了。


天问一号着落的模拟情景,图片来源:国家航天局


利用隔热盾减速会将着巡组合体的速度减少90%左右,然后组合体会打开降落伞,进一步降低速度,一直降低到低于每秒100米。不同于美国“好奇号”、“毅力号”火星车的降落伞降落,前者使用天空起重机完成最后阶段的着陆,而天问一号则是在降落伞减速之后,启动变推发动机,开始动力下降。


动力下降过程持续时间在80至100秒,过程终点是抵达火星表面100米的高度,然后进入悬停。此时,着陆器上搭载的微波测距装置会对地面进行扫描,结合光学相机、三维激光相机,在悬停中进行平移,寻找合适的位置着陆。


确定合适的位置后,组合体进一步下降高度,最终在气囊和支架缓冲装置的控制下完成软着陆。


从以上几点可以看出,着陆巡视器全程要保持姿态稳定,因此搭载了27 台发动机,包括1台7500N变推发动机,还有20台250N 发动机、6 台 25N 发动机。


着陆区锁定在乌托邦平原

 

着巡组合体在完成降落之后,“祝融号”火星车就抵达了乌托邦平原,这个平原是火星上最大的一个平原,地势比较平整。


美国宇航局海盗2号探测器在1976年也降落在这里,说明乌托邦平原具备一定的科学考察价值。


海盗2号探测器在1976年拍摄的乌托邦平原照片,图片来源:NASA


从面积上看,乌托邦平原是一个撞击盆地,直径达到3300公里,且地势比较低。2016年,美国宇航局在乌托邦平原发现大量的地下冰层,甚至标明其蓄水量与苏必利尔湖相当。根据美国宇航局火星勘测轨道器的数据,在乌托邦平原上发现了大量扇形地貌,这说明该平原上有间隙冰等地下物质在活动。


乌托邦平原上的扇形地貌,科学家认为与地下冰的存在有关,图片来源:NASA


此外,在乌托邦平原上还有多边形地形,美国宇航局科学家认为,多边形地形与干冰从地面升华有关,相当于干冰升华变成气体,因此乌托邦平原蕴藏着大量关于火星古老海洋、现存水源、以及地质变化的线索。


根据天问一号的任务规划,巡视器需要对火星表面物质组成、矿物组分进行分析,掌握乌托邦平原上的古老湖泊线索,比如其成分除了赤铁矿、层状硅酸盐之外,是否还有其他能够证明海洋存在的矿物。


祝融号火星车在火星表面行驶的想象图,图片来源:央视新闻


其次,“祝融号”巡视器需要对火星表面土壤特征进行分析,对火星地下水冰分布进行初步判断,研究火星土壤的种类、沉积特征等。


第三,结合轨道器开展火星全球土壤分布的时空分析,建立属于我们国家自己的火星表层物质数据库,为今后进一步探索火星奠定基础。


如果“祝融号“实现这个目标,中国将是除美国之外,全球第二个拥有较为全面火星数据库的国家。


展望未来

 

祝融号是我国第一辆火星车,第一次探索火星就实现了绕、落、巡的三大目标,这是人类历史上的第一次。


在美苏太空竞赛期间,火星一直是美国宇航局主要关注的天体,苏联则把注意力放在金星方向上,两者形成了差异化探索。


最终我们发现,火星上拥有古老海洋,在数十亿年前有全球性海洋存在,在宜居性上比金星更好,这也是目前火星成为星际殖民热门天体的原因之一。


火星拥有海洋的情景,图片来源:NASA


探索火星有两个关键点:


1、水


美国宇航局已经在过去数年发现火星上存在季节性液态水分布,这是火星上现存的液态水证据。


2、生命


美国宇航局“好奇号”和“毅力号”两辆火星车都以寻找火星生命为主要目标,但是到目前为止都没有发现生命存在的直接证据。


如果“祝融号”巡视器能够完成这个目标,那么将超越美国宇航局,载入人类探索火星的史册。

 

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