您当前的位置:首页>>新闻资讯>>行业新闻 行业新闻

中国成功登陆火星!这12个问题一定要搞清楚
发布时间:2021-05-17 丨 阅读次数:316

2021年5月15日凌晨,在经历了296天的太空之旅后,我国首个火星探测器“天问一号”在火星停泊轨道上进入着陆窗口,随后“天问一号”探测器实施降轨,其环绕器与着陆巡视器(包括“祝融号”火星车及进入舱)开始分离,最终“祝融号”成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部,成为中国首个火星巡视器!环绕器则升轨返回停泊轨道,成为中国首颗人造火星卫星,为着陆巡视器提供中继通信。

至此,中国成为继苏联、美国后第三个真正“踏上”(成功着陆)火星的国家,也是首次火星探测即实现着陆的国家!   

据介绍,天问一号任务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,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。

下文就带你详细解读十二大疑问,全方面了祝融号的着陆之旅以及对中国乃至世界航天的意义。   

问题一:为什么要登陆火星?  

人类对于宇宙的探索自古就有,但是要说到对于宇宙认识的快速发展,还是在工业革命以来的几百年时间。

随着人类技术的进步我们不断地向太空发射卫星、发射探测器,以及发射载人飞船。人类这所有的努力无非围绕着两个目的而展开,第一个目的是探寻地球之外的生命,研究生命的起源;第二个目的是希望将来人类能够走出地球,移居开发其他星球。

为了上述两个目的,以目前人类的科技水平,我们可能只能把更多的精力放在太阳系以内天体的研究,特别是对于太阳系八大行星以及他们的卫星们进行研究。

除地球以外,太阳系其他七颗行星中,木星、土星、天王星和海王星是气态行星,没有坚固外壳,水系、金星、火星和地球一样都是有岩石来组成的,属于“类地行星”,拥有岩石表面。

但是,水星距离太阳太近,表面温度高达427℃,金星虽然距离太阳远一些,但是稠密且以二氧化碳为主的大气层,使得金星表面的温度更是高达460℃以上,环境十分恶劣。

这样一来,火星就成为了七大行星中唯一剩下的一颗。与地球的近邻,且与地球同为岩质行星,元素组成和基本结构与地球相似,同时拥有空气,以及水源和有机物存在的痕迹。

具体来看,火星的直径大约为6794千米,约为地球直径的一半,质量只有地球的14%,表面引力约为地球的38%,表面空气密度约为地球海平面的不到1%,火星的自转周期也大约为24小时,公转周期大约为1.88年。火星表面的平均温度大约为-55℃,冬夏温差巨大,夏季白天温度可达27℃,冬季夜晚温度低到-133℃。

从以上数据来看,火星环节看起来条件恶劣,但是这已经是除地球外,太阳系内与地球环境最为接近,且最有可能被改造为适宜人类生存的行星了。

在具体探测技术方面,人类先后有过四大方案:“惊鸿一瞥”的飞掠,仅在探测早期技术不成熟无法入轨环绕火星、或兼职探测火星时使用;“登高望远”的环绕,通过稳定环绕全方面探测火星总体情况,但无法看清细节;“明察秋毫”的着陆,抵达火星表面近距离接触,但仅能定点探测;“自主移动”的巡视,能在火星表面探测更大的范围。  

受限于所携带的电力和通信天线能力,着陆和巡视任务几乎无法直接与地球通信,必须依赖环绕器的信号中继服务。前往火星期间,它们也需要导航、通信、能量等服务。因此,环绕器是所有火星探测任务的基础。  

我国此次的首次火星探测任务,天问一号在这一次任务中就同时实现“环绕”、“着陆”和“巡视”三大目标,实现对火星从天到地的立体观测。

问题二:为什么选择在乌托邦平原着陆?

“祝融号”选择在乌托邦平原着陆,一方面是因为工程风险低。

火星南北半球的地形地貌、地质构造等差异巨大——火星南部为古老高地,坑多,60%的面积遍布陨石坑;而乌托邦平原所在的火星北部,是被火星熔岩填平的低矮平原,地形平缓,陨石坑较少,且地质年龄较轻,地壳较薄。

另一方面,选择乌托邦平原着陆是因为科学价值高。

长期以来,人们最关注的是火星上是否存在生命。研究人员分析,乌托邦平原很可能是远古火星海洋的所在地,“祝融号”着陆的地点在古海洋和古陆地的交界处。

最新的科学探测发现,在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方,存在大量地下水冰,储水量相当于地球上面积最大的淡水湖。想知道火星上到底有没有生命,乌托邦平原是一个绝佳的探测点。

火星乌托邦平原(拉丁语:UtopiaPlanitia),又译作乌托邦低原,为火星上最大的平原,直径3200公里,中央为49.7°N118°E*(火星经纬度),位于阿尔及尔平原的对跖点上。火星乌托邦平原也是1976年9月3日海盗2号在火星上的着陆与探索区域。

问题三:为什么抵达火星后等待了三个月才着陆?  

据悉,我国首次火星探测任务于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,对火星进行全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。

“天问一号”探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正,于2月10日,成功实施火星捕获,进入大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星。

但是为何“天问一号”在火星轨道上等待了三个多月后的5月15日,才开始登陆火星呢?

要知道,而NASA的毅力号是在2020年7月30日发射,于2021年2月18日抵达火星并当天直接着陆。

答案其实很简单,“天问一号”环绕器的完全成功是探测火星的基本前提,在环绕器稳定后再进行着陆操作,可以为着陆巡视组合体提供更大的选择余地和容错空间。

同时,在着陆前,还需要利用环绕器上的中分辨率相机和高分辨率相机等在近火星点对火星表面进行高清成像,收集属于自己的第一手火星数据。

因为这是中国的第一次火星探测任务,在这之前我们对于火星了解程度相对于美国来说要少很多,我们需要为后续的着陆巡视组合体的着陆做好完全准备。


△天问一号在停泊轨道运行期间,发回了多批次天问一号拍摄的高清图像,有些成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见(图源:国家航天局)   

相比之下,此前美国已经成功对火星进行过多次探测和登陆。不久前才登陆火星的美国毅力号属于NASA的第四代火星探测器,经过前4辆火星车的经验积累,已经掌握了非常详细的关于降落地点的数据,所以它就没必要再围绕火星飞行探测,毕竟绕行飞行也需要极大的成本(燃料)。

所以在这3个月的时间里,天问一号先是花半个月时间进行调整轨道。2月15日,“天问一号”在远火点处将轨道调整为能覆盖火星全球的极地轨道,从最初进入火星的低倾角大椭圆轨道,慢慢调整倾角接近于90度的极地轨道。近火点则锁定在乌托邦平原等低纬度区域。

2月24日,天问一号成功调整到距离火星更近、周期更短,每两个火星日环绕一周的轨道。然后开始对火星开展全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析火星地形地貌、沙尘天气等,最后挑选好时间,登陆火星。

问题四:为什么着陆过程是“恐怖7分钟”?  

火星着陆持续时间受一系列因素影响,如冲入火星大气的速度、角度、地点和时间,着陆地点的地形地貌特点(尤其是高度),着陆期间的气象条件,具体着陆技术方案和细节等,总体着陆时间在7-10分钟不等。

而在这短短的7-10分钟内,探测器将以每小时20000千米的时速以完美角度切入火星大气层,角度太小无法进入,角度太大会因过度加热而烧毁。

待穿透大气层后,着陆组合体将弹出隔热罩,并打开降落伞,打开反推火箭,以确保在7分钟内减速至零,平稳着陆。

由于火星探测器和地球之间的距离非常遥远,距离大概在5500万千米到4亿千米之间变化。

相比月球探测约2.6秒左右的双向通信时延来说,火星探测的双向通信时延至少需要6-45分钟左右,这也使得地面人员不可能及时对探测器进行控制,因此整个着陆过程需要依靠探测器完全独立完成,且当中一个步骤都不能出错,称之为“恐怖”一点都不为过。

由于美国毅力号以及此前的几个火星探测器着陆火星都花了大约7分钟,因此人们根据以往美国的经验,就将这段过程所需要的耗时称为“恐怖7分钟”。

不过,根据官方的数据,此次天问一号火星探测器的着陆过程为9分钟,通信时延达18分钟。

那么为什么着陆过程会比毅力号慢2分钟左右呢?

据了解,祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原,并且由于天问一号在抵达火星之后,进行了三个月的火星轨道环绕,使得它进入火星大气的速度自然要比毅力号慢一些(毅力号进入火星大气层的速度是每秒5.4公里,天问一号着陆综合体大约为4.8公里每秒),所以整个着陆过程大约9分钟左右。

问题五:祝融号着陆火星需要经过哪些关键步骤?  

在最终确认开始着陆指令后,着陆巡视组合体将会与环绕器分离,开启独立着陆之旅。期间姿态控制发动机工作,严格控制着陆轨迹角度与方向。如果进入火星大气层的角度过大就会超过隔热层能忍受的极限,如果过小可能就会像打水漂一般滑入深空。  

天问一号的着陆巡视组合体进入火星大气层的速度大约为4.8公里每秒,如此之快的速度,即使火星的大气极其稀薄,也使得它与火星大气的摩擦中产生了巨大的震动和热量,这足以融化大部分金属。但是通过隔热大底和多种散热手段,着陆巡视组合体的温度依然在常温。

天问一号的着陆巡视组合体利用火星大气减速,当速度降低至约1020米每秒后,配平翼展开,进行进一步降速,整个通过火星大气减速过程大约耗时290秒。

随着着陆巡视组合体速度降低至340.3米每秒,巡视组合体将打开降落伞再次进行减速,同时抛弃隔热大底。整个降落伞减速过程耗时90秒,速度可降低至约95米每秒。

随后就时候就开始进入动力减速环节,降落伞之类的东西就要抛掉,只留下着陆平台和祝融号火星车,而动力来源就是着陆平台上安装的7500N大推力反冲发动机,耗时80秒,将速度降至3.6米每秒。

当距离地面高度约600到800米时候,着陆平台的底部雷达和工程相机等立即开始急速工作,紧盯目标着陆区域,分析与预计的匹配程度,让控制导航计算机快速解算最佳着陆方案,避开地势地貌不好的地方,然后在高度100米的时候,着陆平台进行悬停,在对着陆区域完成激光三维成像后,找出一块最合适的小区域,进行最后的降落。

最后阶段火箭停止工作,会尽力减少火箭工作扬起沙尘等因素对它们的影响,着陆巡视组合体成功降落火星表面。

这里需要说明的是,与美国毅力号不同的是,我们采用的降落方式并不是“空中吊车”,而是安全系数更加稳定的反冲悬停降落,主要原因是我们的祝融号火星车质量不是很大,不像毅力号那样质量有一吨多,因此天问一号最合适的降落方式就是这种反冲着陆,而空中吊车那种方式,就比较适合大质量,高精密仪器的火星车。

天问一号着陆平台的四条着陆腿平稳地停在火星表面后,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。

以上众多复杂的步骤,只要一个环节出现问题就有可能前功尽弃,难度犹如刀尖上跳舞。

问题六:祝融号的动来源?  

祝融号火星车还装有4个“大翅膀”,就像一只展翅飞舞的蝴蝶。据专家介绍,和玉兔号月球车一样,火星车的能源获得也是依靠太阳能,而这4个“翅膀”正是太阳能电池板。

但是,由于火星距离太阳更远,表面的大气对阳光也有削减作用,火星上的太阳照度大概只有地球的40%。

为了满足火星车在火星上工作的能量要求,它的太阳能帆板比之前的“玉兔号”和“玉兔二号”要大得多,还比“玉兔号”多设计了一对“翅膀”,使用了4片巨大的由三结砷化镓构成的“蝴蝶型”太阳能电池阵列,确保足够能量供应。

但是,从以往火星探测器拍摄的图片来看,火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。且火星上的风速可达每秒180米,这几乎是地球上特大台风风速的三倍多。

这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘、石块,形成特大沙暴,会对太阳能收集效率产生巨大影响,甚至直接影响火星车工作寿命。

在今年早些时候,“祝融号”火星车总设计师贾阳介绍,我国的火星车太阳能板采用表面工程技术除尘法,这个技术的关键是超疏基结构,身边的汽车防尘玻璃、防尘贴膜等都是这个原理。

类似下雨时荷叶上的水珠,遇风

《中华人民共和国增值电信业务经营许可证》 陕ICP备11006690号-1
版权所有 陕西省石油产品质量监督检验二站有限公司 邮编:710065 传真:029-88452779
通信地址:陕西省西安市雁塔区锦业路69号创业研发园中盛大厦9F