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天问一号即将登陆火星

SS_Papa 全球航天事件 2021-05-14
2021年5月15日 7:11 UTC+8 ,中国天问一号火星着陆器将开启登陆火星之旅,任务成功后中国将成为继美国之后第二个成功登陆火星的国家。

                                  天问一号准备着陆火星

1、中国火星探测任务的开启

                                    萤火一号环火效果图

中国的火星探测任务开始于2011年的萤火一号(YH-1),它是我国研制的第一个火星探测器。但是,因为搭载器的原因,萤火一号“出师未捷身先死”。


                         搭乘俄罗斯火星探测器的萤火一号


萤火一号于2011年11月9日搭乘俄罗斯运载火箭发射升空。2011年11月23日,俄罗斯联邦航天署宣布,搭载萤火一号的“福布斯-土壤”探测器发射失败。2012年1月16日“福布斯-土壤”火星探测器及其所搭载的萤火一号的碎片坠落在太平洋海域。

                      中国行星探测工程“揽星九天”工程标识


虽然本次任务失败了,但萤火1号标志着中国正式开启飞出地月系统的行星探测任务。


2、一步到位的火星“绕、落、巡”

得益于中国航天事业的蓬勃发展,仅仅不到十年,中国就造出了自己的大火箭“胖五”,并开启了直接实现火星“绕、落、巡”的天问一号(TW-1)任务。

                      伴飞相机拍摄的飞向火星的天问一号

                               天问一号拍摄的火星照片

天问一号于2020年7月23日在文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭发射升空,并成功进入预定轨道。经过近7个月的飞行,2021年2月10日,天问一号实现火星捕获,进入环星轨道。

入轨后,天问一号开展了三个多月的在轨探测,对火星气象及着陆区环境等进行了探测。计划于2021年5月15日 7:11 UTC+8 实施登火任务,着陆器将于7:17 落地,着陆后将实施祝融号火星车火星地面巡视任务

                   祝融号火星车乌托邦平原巡视效果图

3、如何着陆火星

着陆器离轨着陆的过程(Entry Descent Landing EDL)共分为7个阶段。


                                    天问一号落火图解

① 降轨

在T-5小时,探测器建立降轨姿态,轨道器发动机点火,降低近火点高度,使天问一号进入近火点50公里、远火点27700公里的大椭圆轨道。

② 分离

在距离地面125公里处,实现轨道器和着陆器分离。设此时的时间为进入大气T0时间。

两器到达安全距离后,轨道器立即点火,抬升轨道,实现近火点265公里、远火点 15,000km、倾角87.7°的中继轨道。

轨道器升轨同时,实时拍摄监测着陆器的下降过程。

③ 气动减速

两器分离后,着陆器调整姿态,防热大底朝前,沿着进入火星大气的轨道滑行,以-11.2°的飞行路径角切入火星大气,此时速度大约4800m/s。

                  在只有地球1%浓度的火星大气中气动减速

随后开始升力体制导,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。

④ 伞降减速

进入大气层后283s,速度降到460m/s,超音速减速伞打开,此时高度约11公里,飞行路径角为-23.3°。减速伞使用盘缝带设计伞。

进入大气层后325s,速度降到250m/s,高度约9km,飞行路径角-67.1°,抛防热大底。由于脱离了降落伞减速,防热大底将以更大的速度下降,逐步和着陆器脱离。

                                         盘-缝-带降落伞

进入大气层后370s,速度降到90m/s,高度约1.5km,着陆器同背罩分离,降落伞拉着背罩脱离着陆器。

⑤ 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。

                                      着陆器反推效果图

7500N变推力发动机开机逐步减小着陆器下降的速度,同时保持姿态稳定。

⑥ 悬停避障、缓速下降

通过调整发动机推力,使着陆器在高度100米时速度控制在0m/s达到悬停的目的,同时着陆器下方对地相机拍摄下方图像,自主分析并选择相对平整适宜着陆的点,此时飞行路径角为-82.3°。调整着陆器姿态前往着陆点开始下降高度。

⑦ 着陆缓冲

进入大气450秒,着陆器缓缓降落在火星表面,此时垂直速度小于3.6m/s,水平速度小于0.9m/s,通过着陆腿的缓冲机构抵消剩余的动能。计划于2021年5月15日7:17 UTC+8左右登陆火星。着陆地点:乌托邦平(110.318°E,24.748°N)

             天问一号预计落点(红点)及既往各着陆器位置

从分离到着陆,历时400多秒,被称为恐怖七分钟。由于地火之间距离遥远,上述所有步骤都要着陆器自己完成,地面无法干预。

4、携带的科学载荷

为实现火星探测的目标轨道器和火星车共携带了13中科学仪器。

① 火星轨道器

• 中分辨率相机;
• 高分辨率相机;
• 浅层地表探测雷达;
• 矿物分光计;
• 磁强计;
• 离子和中性粒子分析仪;
• 能量粒子分析仪。

② 祝融巡视车

• 浅层地表探测雷达;
• 火星表面磁场探测仪;
• 火星地表成分检测包;
• 火星气候站;
• 多光谱相机;
• 导航与地形相机。

5、小结

在人类历史上,只有美国实现了完全成功的火星着陆。原苏联只有一次部分成功的着陆,欧空局在2003年和2016年的两次尝试都以失败告终。

若天问一号成功,中国将成为第二个成功登陆火星的国家。

预祝天问一号登火成功,Godspeed!


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