作者:池涵 来源:中国科学报 发布时间:2020/8/7 12:09:04
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首次变轨完成 落火仍有挑战
专家谈“天问一号”火星软着陆

 

据新华社从国家航天局获悉的消息,8月2日7时整,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器3000牛发动机开机工作20秒,顺利完成第一次轨道中途修正,继续飞向火星。

“天问一号”预计大约7个月后到达火星,届时将开展一系列科学任务。

首次探火即实现“绕、落、巡”

中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰告诉《中国科学报》,火星的自然环境与地球最为相似,一直以来,主要的航天大国都倾注了大量人力、物力开展火星探测。

尤其是新世纪以来,火星探测再掀高潮,主要的科学问题包括:一是探测火星表面环境和大气;二是精细探测火星地形、地貌、地质构造、土壤与岩石的矿物与化学成分,火星水体产生、演化过程等,探索类地行星演化史;三是寻找火星生命存在的证据,为未来在火星上建立前哨站和实验室,进一步探测火星资源奠定基础。

中国航天系统科学与工程研究院高级工程师曹世博告诉《中国科学报》,我国的‘天问一号’由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,将一步完成 “绕、落、巡”三步。

陈杰说:“此次任务若成功将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。”

“原则上说,不事先飞掠和进行先期环绕探测,难以直接获取更多的火星信息数据,使得软着陆方案的选择、关键技术的突破增加了一定的困难。”陈杰说,“但这并不妨碍我们创新性的采用‘绕、落、巡’一次完成的模式,虽然从工程难度而言比较大,也完全可以完成。”

陈杰认为,我国此次“天问一号”任务一次实现“绕、落、巡”是出于两方面考虑。一是中国航天几十年的技术积累,特别是探月工程的实施,长征五号火箭运载能力的跨越增长,使我国首次火星探测站在较高起点,为此次目标的实现奠定了良好的技术基础;二是火星发射窗口宝贵,二十六个月才有一次机会,如果按部就班,战线就会拉长,可能会在一定程度上制约我国深空探测的跨越式发展。

软着陆火星:恐怖的八分钟

陈杰告诉记者,火星探测过程中,最容易出问题的就是进入火星大气层,下降和着陆火星表面的过程。火星有稀薄大气,虽然密度只有地球的1%。但探测器要在火星表面着陆,仍需要穿过火星大气层。

虽然“天问号”探测器飞临火星时先经过了被火星引力捕获,进入环绕轨道的过程,然而进入火星大气层时的速度依然很高。整个进入、下降、着陆的过程很短,仅有七八分钟,是火星探测最为凶险的时刻。

陈杰介绍,软着陆又称安全着陆,是采取专门减速措施使着陆器在接触行星或其他天体表面瞬间时的垂直速度降到能安全着陆的最小值。目前为止,人类尝试过的软着陆对象包括地球本身、月球、火星、小行星和彗星。但只有美国曾在火星上软着陆成功。

陈杰比较了软着陆火星与月球的区别。他认为,嫦娥3号和4号都是在月球上着陆,月球上没有大气,着陆过程相对简单,而且月球质量小,逃逸速度只是火星逃逸速度的二分之一,探测器在月球着陆,减速过程相对比较平缓。所以相对月球软着陆而言,火星软着陆风险更大。

在人类已经实施的44次火星探测活动中,成功和部分成功的任务仅有24次,能够着陆火星并成功开展探测任务的仅为个位数。

曹世博说,软着陆最大的技术难点在于探测器要从很高的飞行速度,在短时间内迅速降到零,被认为是深空探测领域最大的挑战之一。尤其是对于火星这样有大气层的行星而言,软着陆更难,需要攻克进入大气层、安全下降和平稳着陆的关键技术,比如气动减速、热防护、姿态控制等。

此次 “天问一号”在火星着陆的候选地点为火星北半球的乌托邦平原。

陈杰说,对于着陆点的选择首先要考虑的是工程约束。首先,探测器着陆时,一般都需要通过与大气相互作用来减速,在着陆的最后阶段才能使用自身发动机提供的动力实现软着陆,因此一般都要选择海拔较低的区域作为着陆点。

其次,长时间在火星工作的探测器要借助太阳能电池来产生电力,用来导航和检测障碍的光敏感器也需要较好的光照条件,而火星的高纬地区无法获得充足的光照,因此火星探测器大都会选择在纬度小于30度的区域着陆。而且,低纬度地区良好的光照条件也带来了比较温和的昼夜温差,使探测器更容易维持自身的热平衡。

此外,岩石会破坏探测器的着陆缓冲机构,阻碍减速发动机的正常工作,同时遍布的岩石还会对火星车的移动带来阻碍,因此,一般选择岩石较为稀少的地方作为着陆点。

对于着陆点的选择另一重要考虑方面是科学目标的实现。

近期火星探测的科学目标以寻找火星上现在或曾经存在生命的证据为主。通过以往的研究,科学家们已经认识到,如果火星上的某片区域曾经是沉积盆地,那么这一区域很可能曾经孕育生命。围绕火星飞行的探测器除了能够发回直观的火星表面照片,还能利用搭载的多波段光谱仪和测高仪等仪器,带来火星全球的表面地形地貌、岩石成分等丰富信息。科学家们可以根据每个着陆探测器的具体科学目标,利用火星的全球数据选取一些潜在可用的着陆点。之后,通过不断的加密探测和比较讨论,缩小着陆点候选范围,并确定实际使用的着陆点。

中国火星车:第一次亲密接触

7月22日,中国火星探测工程正式对外发布“天问一号”1∶1着陆平台和火星车,设计寿命90个火星日。

曹世博介绍,我国火星车巡视器主要完成4项科学任务:一是火星巡视区形貌和地质构造探测,二是火星巡视区土壤结构(剖面)探测和水冰探查,三是火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探,四是火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。

火星车配置了火星表面成分探测仪、多光谱相机、地形相机、火星车次表层探测雷达、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪共6种有效载荷,对火星进行遥感探测和区域精细探测。

火星车漫游将面临哪些主要风险呢?

陈杰认为,最主要的风险来自能源和通信受限。对于能源问题,因为光能转换成电能,效率只有30%,大部分能量被损失掉了。为解决这一问题,天问一号火星车顶部安装了一种称为集热窗的设备,可以直接吸收太阳能,然后利用正十一烷储存能量。白天,火星温度升高,这种物质吸热融化,到了晚上,温度下降,这种物质在凝固的过程中,释放热能,效率可以达到80%以上。对于通信问题,我国基于现有航天网和深空测控网,并在喀什深空站补充建设3副35m口径天线与已有天线组成天线阵系统,数据下行达等效66m口径天线的能力,辅以甚长基线干涉测轨分系统和必要的国际联网,可以完成火星探测器状态监视、轨道测量、飞行控制、在轨管理和应急处置等任务。

陈杰说,火星探测是航天强国的重要标志,我国首次自主的火星探测任务,将使我国积累更多深空探测领域的经验,推动我国在行星探测、空间科学、空间技术等方面的发展,使我国跻身全球深空探测领先者的行列。

 
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