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天问一号和毅力号为什么选完全不同的火星着陆技术?

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  2月18日,毅力号将再次上演空中吊车技术;5月份,天问一号则会上演火箭反推悬停降落技术。火星着陆三大方案,它们为什么选择不同?

  首先建立一个基本前提:对于火星探测而言,能自由移动的火星车/巡视器能进行更多科研,而且越大越好。因此,能送更大更重更复杂的火星车安全到火星表面,是很重要的技术需求。按时间演化和复杂度来算,人类总共有过三代火星着陆技术。

  第一种:火箭反推悬停降落。顾名思义,反推火箭会一直工作到降落火星表面。有巨大(相对着陆器本身体积)的燃料罐和反推火箭,各种传感系统也装在着陆器底部,这种着陆器几乎不可能再有多余的空间设计悬架结构和轮子运动系统。燃料罐和反推火箭没有办法在着陆前完成脱离,着陆腿却要做到足够重以降低着陆器整体重心、提高着陆安全性。


(天问一号着陆模拟©?国家航天局)

  优点:可以适合各种质量的着陆器着陆。安全系数最高。未来大规模飞船必备方案。

  
缺点:无法直接用在火星车上,或者只能通过着陆器释放小火星车。对着陆区地形要求高,很难挑战复杂地貌。仪器复杂度受限。

  
成功案例:火星三号,维京一号,维京二号,凤凰号,洞察号。天问一号也是这个方案。

  第二种:气囊弹跳降落。依然采取火箭反推方案进行初步减速和悬停确定着陆地点。不过在最后阶段着陆器又分成两个部分,一部分携带有反推火箭和燃料罐,另一部分则将火星车折叠后牢牢包裹在巨大的气囊中。着陆保护系统确定好着陆区域后,会将气囊弹出并用绳索牢牢吊住,稳步下降,释放命令下达后绳索断裂。气囊在距离火星地表数米处释放,随后在地面经过多次弹跳后稳定下来。巨大气囊内部往往有平衡设备,能保证气囊停止运动后折叠的火星车跟地面保持正确的姿态,随后气囊打开,火星车缓缓展开并驶出。


  优点:适合可移动的中型火星车,对着陆区域地形要求不高。

  
缺点:气囊能力有保护上限,冲击力同样限制火星车科研仪器设备。

  
成功案例:探路者号/旅居者号组合,勇气号,机遇号。

  第三种:空中吊车。目前仅有好奇号使用过此方案,毅力号将会沿用。这种方案同样将着陆器分成两部分,上部分是一个拥有8枚强力反推火箭的空中吊车,在下降过程中它将好奇号火星车保护在中心。随后好奇号被释放并悬挂着,它被三根最长可达7.5米的尼龙绳和一根负责信号和控制指令传输的“脐带”电缆所连接。随着高度降低,好奇号的动力系统和六个直径半米的巨大轮子完全展开,好奇号底部的传感器不断通过“脐带”向空中吊车报告实时状态。在空中吊车的悬停和精细操作下,好奇号缓慢靠近地面,最终火星车感应到稳定接触火星地表后,尼龙绳和电缆将会在瞬间被切断。随后空中吊车会用尽所有的能量向尽量远离好奇号的地方飞去,最终坠毁。


  优点:可释放质量和体积较大的火星车。对着陆区域地形要求低,这些火星车也会被最大限度保护,能携带非常精密的高级仪器。

  
缺点:技术难度最高,且依然存在质量上限,毅力号1025千克已接近极限。
成功案例:好奇号。

  因此,对于我国而言,技术起步验证阶段,对于一个240千克级的火星车,有必要使用最经典的火箭反推、由着陆器释放的方案。毅力号重量超过1吨、有好奇号的基础作为铺垫,选择了空中吊车技术。但不得不承认,各方面来看毅力号的各项技术是要厉害很多的,是我们努力的目标。

  来源:太空精酿的空间站


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