火星,中国来啦!一文看懂“天问一号”落火之旅,落在哪?怎样落?探什么?

2021-05-15 20:20 大众报业·半岛新闻阅读 (29807) 扫描到手机

5月15日7时18分,天问一号探测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成功。

中国航天器首次奔赴火星,就“毫发未损”地顺利出现在遥远的红色星球上,完成了人类航天史上的一次壮举,实现了我国首次地外行星着陆。

祝融,中国第一辆火星车。“我从古代神话而来,正向火星而去。”

过去的神话是今天的现实,今天的现实又将是未来新的神话。这真是一个奇妙的轮回。“很开心成为一颗照亮宇宙和中国行星探测的火种。”

天问一号火星车祝融的官方微博陆续更新了登陆火星的过程,最新的消息是:“落火,开工。”

网友在微博下纷纷留言:

@全是狗粮呀:先看看能不能种菜~

@菠萝越品越甜:跟老父亲老母亲多多联系,好好工作,等你凯旋~

@乌鸦还笑话猪黑:开工顺利,要按时完成作业哦,但也不要太累!

@梅花簪:吃个午饭先!

在另一端的地球,中国航天指挥大厅可爱的中国航天人大声喊口号:“火星,我们来啦!”“我们成功啦!”

中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥哭了。

看看天问一号是如何着陆火星的↓↓↓

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,成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。

从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。我国天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段,历时“惊魂九分钟”。

两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信,搭建起地球和火星之间的通信桥梁。

后续,“祝融号”火星车将依次对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。

天问一号探测器于今年2月24日成功进入周期为2个火星日的火星停泊轨道,随后对火星开展了全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析了火星的地形地貌、沙尘天气等,为着陆火星做了充分的准备。

我国首次火星探测任务—天问一号任务于2016年正式批复立项,计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视探测。

天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,于2020年7月23日由长征五号运载火箭成功发射,至今已飞行295天,距离地球约3.2亿千米。

▲ 天问一号探测器火星捕获过程影像(定向天线监视相机画面)

天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行和测控通信、地外行星软着陆等关键技术,是我国航天事业发展史上又一具有重大意义的里程碑事件。

网友集体为中国航天骄傲!

@小时山羊:如果奇迹有颜色 那一定会是中国红!

@有心人Grace:星河浩瀚,中华浪漫!致敬科学家!

@考研互助组:突然就跟着哭!

@等一个张云雷的相声时代:今天考事业单位综合知识,其中一个问题就是问我国第一个火星探测器我就填的祝融!

火星探测有多难?到目前为止,人类火星探测任务成功率仅50%左右。成功登陆火星表面的探测器屈指可数。

天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图(图源:国家航天局)

为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆?祝融号着陆整个过程大概多久?火星登陆会遇到哪些严峻考验……

接下来就为你揭秘——

为啥天问一号绕火星飞了3个多月才着陆?

拍照、勘察着陆区。

2020年7月,天问一号发射奔火。

今年2月10日,天问一号进行高难度的刹车制动,成功被火星引力捕获,成为我国第一颗环绕火星的人造卫星。

▲ 天问一号探测器拍摄的高清火星影像图。

2月24日,天问一号进入火星停泊轨道,开始运行约3个月。

那么,为什么要绕行这么久呢?

万事俱备再着陆。天问一号任务作为中国第一个火星探索任务,既需要通过变轨实现对火星各区域的探测覆盖,也会对火星的着陆区进行综合考察,包括成像、勘察,还需采集火星大气等数据,为接下来的着陆火星做好准备。

不仅考察需要时间,数据的分析处理也需要时间,在准备充分以后,天问一号就会释放着陆器,将祝融号火星车送上火星表面。

祝融号着陆的过程怎样?大概多久?

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。

▲ 着陆过程

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。

▲ 悬停成像段→避障机动段→缓速下降段(示意图)

▲ 着陆模拟

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。

  ▲ “祝融号”火星车后续部分动作(示意图)

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两方面进行考虑,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。

▲ 天问一号任务团队部分成员与探测器合影

国际媒体发出惊叹:巨大飞跃、重要里程碑、超越众多同行!

彭博社对此报道称,中国登陆火星,进一步缩小了与美国在太空探索领域的差距。在彭博社报道中,美国行星学会资深编辑、行星地质学家艾米丽·拉克达瓦拉(Emily Lakdawalla)表示,火星是太阳系里最难登陆的地方,中国首次尝试就获得成功,这表明“他们是最有能力的太空机构之一”。报道指出,与月球不同,由于火星上有大气层,这导致使用火箭进行减速变得很困难,而火星上的空气要比地球稀薄得多,又很难靠降落伞达到减速效果,因此在火星上着陆需要在短时间内释放出很强大的减速力。

中国人的高光时刻到来了,留言区是满满的自豪!

@元气少女张小璐:天问一号成功着陆。火星:“来了老地?”

@白白胖胖的熊仔包 : 火星你好!中国来了!祝融来了!

我们的征途是星辰大海,我们的信心来自中国实力!


半岛新闻客户端综合整理,素材来源:新华社、央视新闻、人民日报、澎湃新闻、齐鲁壹点、科技日报等

返回半岛网首页>>