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麻辣财经:中国首次火星探测,“天问一号”成功“登火”!

麻辣财经:中国首次火星探测,“天问一号”成功“登火”!

人民日报中央厨房-麻辣财经工作室 冯华
2021-05-15 10:18

天问一号着陆过程动画模拟。视频提供:航天科技集团五院

火星传喜讯!

5月15日7时18分,在距离地球3.2亿公里之外的火星北半球乌托邦平原南部,我国首次火星探测任务天问一号着陆巡视器稳稳降落于火星表面,着陆火星任务取得圆满成功。科研团队已接收到“祝融号”火星车传回的遥测信号!

自去年7月23日在中国文昌航天发射场启程,天问一号经历了长达7个月的“奔火”之旅和3个月的“环火”探测,如今“登火”成功,并且即将开展巡视探测。

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天问一号着陆过程模拟。中国航天科技集团五院供图

环绕、着陆、巡视,通过一次发射实现“绕、着、巡”三大任务,这在世界航天史上都是创举。火星探测属于高风险航天任务,我国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。祝贺中国航天!

(麻辣姐贴心提示:全文略长,文末有彩蛋,非常有趣)

火星探测有多热?探测风险与魅力成正比

麻辣姐先给大家科普一下,探测火星的方式与探测月球的方式基本相似,包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。其中采用环绕探测方式可以对火星进行整体普查甚至是全球勘测;采用着陆探测和巡视探测方式可以对火星进行区域性详查;采用采样返回探测和载人登陆探测方式可以对火星进行区域性精查。但按前后顺序来说技术难度是越来越大,所以一般都采用循序渐进的方针,先进行环绕探测,然后进行着陆探测、巡视探测、采样返回探测,最终进行载人登陆探测等。

目前,人类在探月的历程中,这些探测方式都采用过。与月球探测相比,由于火星距地球的距离比月球距地球的距离遥远得多,探测火星的难度也比探测月球的难度大得多,因此,至今人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测、巡视探测方式,未来的目标是对火星进行采样返回探测和载人登陆探测,但难度与风险可想而知。

因此,天问一号任务通过一次发射实现“绕、着、巡”的目标,可以用任务起点高、技术跨越大来形容。天问一号由环绕器和着陆巡视器组成,重量达到5吨左右。其中火星车高度有1米85,重量达到240公斤左右,太阳翼展开后很像一只美丽的“蓝蝴蝶”。今年4月24日,经过网友投票,这辆火星车有了一个响亮的名字“祝融号”。

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火星表面地貌模拟。中国航天科技集团五院供图

也许有人要问,为什么要探测火星?火星探测,可以说是当前行星探测的重点目标。如果说月球是深空探测的起点,那么火星探测则是最大的热门。

从20世纪60年代人类首次开展火星探测开始,人类已进行47次火星探测活动,包括去年7月我国、阿拉伯联合酋长国以及美国实施的3次火星探测活动。可以说是太阳系中探测时间最长、次数最多、参与国家也最多的一颗行星。

人们为何对火星情有独钟?

科研专家告诉麻辣姐,火星一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。以往的探测发现了存在水的证据,火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球的过去还是地球的未来,成为火星研究重大科学问题。研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。

最近5500万公里、最远4亿公里的距离,决定了火星探测并不轻松。据专家统计,这47次火星探测任务中,仅有25次成功或部分成功,成功率为51.2%。而火星着陆任务风险更高,22次着陆任务(着陆火星19次 、着陆火星卫星3次),只有10次取得成功,成功率为45%,目前只有仅美国和中国掌握火星软着陆技术。

从“奔火”到“探火”,“天问一号”要闯几道关?

由于地球与火星之间距离迢迢,“天问一号”探火的旅程可谓征途漫漫。

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火星车在火星地表工作模拟。中国航天科技集团五院供图

从工程设计来看,我国首次火星探测任务过程包括发射段、地火转移段、火星捕获段、停泊段、离轨着陆段和科学探测等六个阶段。

去年7月23日,“天问一号”在中国文昌航天发射场“一飞冲天”,以第二宇宙速度完全摆脱地球引力,飞向遥远深空。按照预先设计的精准轨道,“天问一号”在浩渺无垠的太空中飞行了202天,飞行里程约4.75亿千米,其间实施了1次深空机动和4次中途修正,终于在2月10日成功实施火星捕获,从地火转移轨道进入到环火轨道。

2月10日19点52分,天问一号探测器实施近火制动捕获,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”目标的第一步。人们将这一动作形容为“太空刹车”,这也是火星探测任务中的高难度动作之一。

进入火星轨道后,天问一号探测器继续经过几次调整,于2月24日成功实施第三次近火制动,进入火星停泊轨道,在轨探测90多天。

为什么要在轨探测这么久?

专家介绍,天问一号探测器在火星停泊轨道运行,绕火期间一次次从火星首选着陆点乌托邦平原上空掠过,观察着陆点,开展预着陆区成像探测,为着陆火星做准备。

国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长告诉麻辣姐,天问一号在火星停泊轨道运行期间,经过预定着陆区上空时,会利用中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等载荷设备对预定着陆区进行详查,主要探测预定着陆区的地形、地貌以及是否存在沙尘天气等,为着陆巡视器的安全着陆做好准备工作。

“登火”关键9分钟,难度有多大?

之前不少媒体在报道天问一号着陆的过程中,使用了“黑色7分钟”的说法。对此,耿言解释说,“7分钟只是个约数,我国此次着陆过程设计时长为9分钟。这是因为天问一号在实施火星捕获时已有减速动作,工程设计上是先环绕、再进入,因此速度相对其他国家低一些,工程设计情况和进入速度不同,所需时间也不太相同。”

但是,无论是7分钟还是9分钟,“进入/下降/着陆(简称EDL)”这一阶段都是火星探测最大的难点。此前一些失败的火星探测任务,大多是在这一过程中“折戟”失利,有的国家几次尝试登陆火星未果。

登陆火星到底有多难?

首先是火星环境的不确知性,增加了着陆的不确定性。火星表面有一层稀薄的大气,与月球和地球的环境截然不同。“月球没有大气,着陆过程完全靠反推发动机减速,干扰因素少;对于地球的大气环境,我们也有深入认识,航天器从空间返回地球的设计依据比较充分。而人们对火星环境的了解非常有限,也没有经过飞行验证后的数据,火星大气稀薄且不稳定,有可能随机出现大风、沙尘等天气,这些不确定性、不确知性都会给着陆火星带来很大风险。”耿言表示。

其次是着陆过程较为复杂,短时间内完成多个动作,不容半分差错。

据介绍,短短9分钟的时间内,着陆巡视器要完成10多个动作,融合气动外形、降落伞、发动机、着陆缓冲等多项技术才能实施软着陆。每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。

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天问一号着陆过程示意图。中国航天科技集团五院供图

第三个难点则是距离遥远,地面无法干预,只能靠着陆巡视器全程自主控制。

“着陆时,火星和地球的距离达到3.2亿千米,无线电信号一来一往大约35分钟,地面不可能直接遥控,所有动作触发条件的测量、判断,所有动作的执行,包括最后阶段通过拍摄着陆区的图像并选择满足条件的着陆点,均是自主测量、自主判断、自主控制。”耿言表示。

这里麻辣姐必须敲下小黑板,尽管专家说速度相对较低,但也是从约2万千米/小时的速度降至到0米/小时,只有9分钟时间,还要加上火星上稀薄的大气摩擦等一系列未知情况,大家想象一下,这是何等惊心动魄的场景?天问一号着陆的过程可谓是环环相扣、步步惊心。

为什么选择乌托邦平原作为着陆区?

天问一号着陆巡视器平稳着陆,对于着陆地点,不少人也很好奇,为什么要选择在火星北半球的乌托邦平原?

“火星上的地形地貌从分布上来看,北半球多为平原,南半球大多是山地,坑洼不平,因此国际上有着陆计划的火星探测任务,大多数选择着陆在火星北半球。”耿言介绍,基于工程实现“安全着陆与巡视”的要求,科研人员识别了高度、坡度、岩石、风速、尘土、能源等约束要素,在要求的北纬5度—30度区间内,选了两个区域。“着陆区的选择工程上来看首先是希望海拔高度低一点,这样着陆过程更长一点,探测器更从容一些。其次是希望地势平缓,石块分布尽可能少一点,风速也尽可能小一点,还要尽量避开沙尘暴,着陆时也要选择白天降落,这样可以保证着陆后太阳能帆板打开,顺利获取能源保障。”

而从科学目标来看,这次选择的乌托邦平原南部预定区域,位于古海洋和古陆地的交界处,科学家认为该地方有很高科学价值,很有可能会取得意想不到的科学成果。此外,预选着陆区位于埃律西昂火山西面,存在与火山活动和演化有关的科学问题。对于火星车在这块区域的巡视探测,科学家们都非常期待。

“祝融号”火星车怎么工作?

天问一号任务通过一次发射,实现“绕、着、巡”的目标,着陆之后的巡视探测也非常重要。

对于大家关心的“祝融号”火星车,耿言告诉麻辣姐,由于“祝融号”火星车着陆时还处于收拢状态,必须等天线自主完成展开动作后,才能实现跟地面的通信。而自主展开动作大约需要近1个小时,再加上火星距离地球遥远的通信距离,“路上”就要花近20分钟,这也是为什么着陆之后,又等待了一段时间才能确认任务成功。

自主展开后,“祝融号”怎么开始工作?

耿言介绍,“祝融号”以3天为一个工作周期。受到火星苛刻的环境影响,火星车每次只能“工作”一两个小时,工作内容主要包括环境感知、科学探测、数据下传等。

据介绍,火星车上搭载了6台载荷,分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。它们共有五大使命,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将给中国带来火星的第一手资料。其中,与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据,并研究火星的磁场和重力场,这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候。

事实上,“祝融号”在火星上顺利工作,还需要克服不少困难。

中国航天科技集团五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯说,如果只是看图片,火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。但是,火星上的风速可达180米/秒,这几乎是地球上特大台风风速的三倍还多。如此强烈的风速会掀起大量的沙尘、石块,形成特大沙暴。这些都会对火星车的生存造成严峻考验。面对这样的情况,设计师使用了一种新型材料,这种材料不易沾上灰尘,即使沾上,也可以通过振动将其抖落。

火星表面还密布着石块等障碍物,这就使得火星车的行驶需要更加地“小心翼翼”。如何让火星车的每一步都走得更加稳妥呢?王闯透露,在航天五院的实验室中,有一台一模一样的火星车。当在火星上遇到复杂的路况时,地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶,确认无误后才会发出指令。

让我们一起祝福“祝融号”火星车,在火星上工作的日子顺顺利利、收获满满!

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本文由 融合号 编辑发布
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