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天问·探路火星|成功登火!天问一号安全度过“恐怖9分钟”

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  5月15日,由航天科技集团五院抓总研制的天问一号火星探测器稳稳降落在首选落点——火星北半球的乌托邦平原。

  目前,人类火星探测任务成功率仅有50%左右,而成功登陆火星表面并顺利开展工作的探测任务成功率则更低,大约只有20%,难度可想而知。

  火星探测器进入火星大气的时速约为21000千米,但要在7-9分钟内,让速度在受控状态下降为0,实现在火星上安全着陆,这是火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的关键因素,大部分失败都是折戟在这一阶段。


  天问一号探测器的“祝融”号火星车。澎湃新闻记者 谢瑞强 图

  “恐怖9分钟”

  5月15日凌晨2时多,天问一号在火星停泊轨道上进入着陆窗口,随后探测器实施降轨,环绕器与着陆巡视器开始器分离,继而环绕器升轨返回停泊轨道,着陆巡视器运行到距离火星表面125千米高度的进入点,开始进入火星大气,并最终软着陆在火星表面。

  要想平安稳定地降落到火星表面,首要问题就是让高速奔驰的天问一号减速。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节,天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开,而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。”航天科技集团五院天问一号探测器总体主任设计师王闯介绍说,“ 由于火星大气非常稀薄,进入火星时要求探测器的气动外形具备高效的减速性能,同时需要更轻量化的防热材料。”

  除了减速设计,火星进入方案的选择也至关重要,甚至可以说决定“生死”。因为,从开始踏上进入点的那一刻起,天问一号就迎来了此次探火旅程中最为凶险、最为惊心动魄的“恐怖9分钟”。目前,人类火星探测任务成功率仅有五成左右,大部分失败都是折戟在“进入/下降/着陆(简称 EDL)”这一阶段。

  “火星探测最大的难点就是 EDL,这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反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。”航天科技集团五院天问一号探测器总设计师孙泽洲说。为此,早在 EDL前,“天问一号”在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测,获取了大量的着陆区地形地貌的数据,并对火星尘暴发生的概率进行了评估;同时,火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术,以确保安全着陆。“在上述这些措施的基础上,我们还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道-升力式进入方案,以降低火星大气参数不确定性带来的风险,提高适应能力。”

  据航天五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯介绍,天问一号在进入火星大气层以后首先借助火星大气,进行气动减速,这个过程它克服了高温和姿态偏差。气动减速完成后,天问一号的下降速度也减掉了90% 左右。紧接着天问一号打开降落伞进行伞系减速,当速度降至100米/秒时,天问一号通过反推发动机进行减速,由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星表面100米时,天问一号进入悬停阶段,完成精准避障和缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构的保护下,抵达火星表面。

  总的来说,整个过程天问一号在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至到0米/时。值得一提的是,虽然此前我国已有月表着陆经验,但是此次天问一号火星软着陆任务更加艰难。一方面火星表面存在大气(火星表面大气的密度是地球表面大气密度的1%左右),此外,火星表面地形复杂,遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物;火星尘暴较地球更为严重。这些因素给着陆火星带来了极大难题,安全着陆风险非常高;另一方面星离地球距离更加遥远,最远4亿公里,通信时延单程达到20分钟左右,因此整个着陆过程相距遥远的地球来不及做任何处置,只能靠天问一号自主完成,经历“未知9分钟”。

  航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超表示:“我国是首次实施火星探测任务,对火星的环境,特别是大气,类似这些参数,我们没有一手数据。所以相当于我们到了一个完全未知的一个环境,这种难度可想而知。”


  天问一号探测器模型。澎湃新闻记者 谢瑞强 图

  接下来做什么?

  成功着陆后,“绕”“着”“巡”的串联任务终于进行到最后一步。着陆后,进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面。进入舱和火星车先后完成坡道及太阳翼天线展开,火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后,火星车将自主驶离进入舱,抵达火面,开始新的征程!探测火星不仅是工程任务的突破,更是行星科学领域的突破。

  除了常规的通信、能源(太阳能帆板)、支撑结构、动力系统等部分外,“天问一号”整体上携带了13种科学载荷,其中7个在火星上空的环绕器上,分别是中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能5粒子分析仪。6台分布在火星车上,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、火星气象探测仪、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力场,这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候。

  按照计划,90个火星日后,火星车将结束巡视探测工作,环绕器也将进行轨道调整,从而开展环绕科学探测。


  天问一号探测器的着陆器模型。澎湃新闻记者 谢瑞强 图

  为什么选乌托邦平原?

  此次天问一号着陆首选落点是火星北半球的乌托邦平原,为何选择这里呢?

  乌托邦平原(拉丁语:Utopia Planitia),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°N 118°E,位于阿尔及尔平原的对跖点上。1976年9月3日,美国“海盗2号”火星探测器在此平原着陆,对着陆点周围进行了探测。

  根据相关资料,这是一个巨大撞击平原,数十亿年前这里被海洋覆盖。根据探测数据,在乌托邦平原的中心区域,比火星基准高度低7千米。这对火星车着陆很有利,因为地势低,则气压比较高,火星车着陆时受到大气的阻力比较大,有利于软着陆。

  据称,乌托邦平原拥有一定储量的地下冰层,平原上有间隙冰等地下物质活动的痕迹,形成了多边形地貌,具有较高的探索价值。中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰此前也曾表示,地质学家说这里很可能是一个古海洋所在地。在古海洋和古陆地交界的地方,科学家认为这个地方有很高的科学价值,很有可能会取得意想不到的科学成果。

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