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天问一号着陆火星经历“恐怖9分钟”,比美国的“7分钟”差吗?

天问一号着陆区高分影像图来啦

天问一号任务着陆区域高分影像图

天问一号拍到的特殊合影

天问一号着陆火星首批科学影像图

天问一号着陆火星首批科学影像图公布

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  到目前为止,只有美国探测器曾经完好地登陆上火星,天问一号着陆器携带“祝融号”成功登陆,意味着中国是第二个将探测器送到火星表面的国家。为了准备这次着陆,“天问一号”探测器带着火星车足足绕火星转了3个月,“看”了3个月。

  这不奇怪,火星对于美国来说已然熟门熟路,而对于中国“天问一号”则是大姑娘坐轿——头一回。之前所有火星数据都是人家发布的,是不是全面?有没有偏差?我们都要先搞清楚。因为迈出第一步便不能回头,等待“祝融”的是“恐怖9分钟”,成则稳稳落地,败则一堆废铁,不存在“50%成功”的可能。

  

  天问一号着陆器成功在火星着陆

  有朋友问老周,啥叫“恐怖9分钟”?为什么美国科学家讲的是“7分钟”,为什么不是6分钟或8分钟?这跟飞船返回地球遇到的黑障是一回事吗?今天咱们就来聊聊这些问题。

  其实“恐怖7分钟”最早是“6分钟”,专指着陆器从进入火星大气层开始一直到降落在火星地面这一段时间。因为地球与火星之间距离遥远,电波来回得半个多小时,因此我们不能知道实时情况,更谈不上遥控降落,一切都要靠着陆器自主行动;加上火星大气十分诡异且充满不确定性,失败概率大,科学家在地球上总是提心吊胆,故而认为这个过程很恐怖。与美国相比,我们的“祝融”接近9分钟,这个原因咱放在后面讲。

  地球表面有100千米厚的稠密大气层,这使得航天器减速返回地面比较容易;月球表面没有大气,但月球质量小,它的表面重力只有地球的六分之一,引力小也使航天器软着陆变得容易;火星表面有大气,同时表面重力也只是地球的38%,照理说在火星上着陆应该比地球或月球更容易才对,为什么反而更难呢?

  

  地球、火星与月球大小比较

  其实问题恰恰就出在火星的大气层上。

  火星体积小,它的引力也小,加上早在几十亿年前就失去了磁场,火星上的大气被太阳风一点点吹走,今天即使是火星表面最稠密的大气也只相当于地球35千米高空那么稀薄。这给航天器带来的一个直接影响就是:减速度不够。

  

  火星大气层很稀薄

  “天问一号”环绕火星的飞行速度大约为4.8千米/秒,也就是说“祝融号”需要在8分多钟的时间里将速度从4.8千米/秒降到0,这首先需要依靠火星大气来进行空气动力减速。但是火星的空气太稀薄了,它并不能让“祝融号”在安全的高度内把速度降到1马赫以下,因此我们需要给着陆器配备一顶巨大的超音速降落伞,这个降落伞可以在1.7马赫的高速度和500Pa低动压下开伞,将着陆器的速度进一步降至100米/秒以内。

  在下降速度达到98米/秒之后,着陆器先抛掉下方的防热大底,露出7500N的反推发动机,打开缓冲腿,随后降落伞会带着上方的“大锅盖”脱离,反推发动机启动继续减速到大约2米/秒,发动机关机,着陆器稳稳落地。整个过程大约9分钟。

  

  祝融着陆

  你可能会说了,在地球上着陆也差不多是这个过程呀,为什么说火星更难?没错,到目前为止已经有好几个国家成功在地球上回收了航天器,环地球轨道飞行的速度高达7.6公里/秒,比火星快多了。之所以在地球上着陆更容易,就因为我们地球的大气层更稠密,阻力大,返回的航天器有足够时间将下降速度减到0.6马赫以下,降落伞打开时也更从容,并且出黑障后还有地面实时监控发指令,这些在火星上做不到。

  

  天问一号有一顶巨大超音速伞

  月球表面没有大气,没办法用减速伞,但它的好处是引力小、环月飞行速度低,因此可以一直靠反推发动机来持续减速。当初阿波罗11号在降落时计算机死机,阿姆斯特朗是通过手动操纵飞船降落在月球表面的,这在火星就不可能做到,因为火星有大气。着陆器的反推发动机在空气中会产生不稳定羽流,飞行速度又快,会很容易失控翻跟斗。因此,在火星上着陆的难度比登陆月球高出几个数量级,这是对一个国家航天技术的综合考验,小国做不到。

  

  火星气动减速很难

  最后来讲一讲中国为什么是“9分钟”而不是美国人一直声称的“7分钟”,有朋友说那是美国人使坏,骗人的阴谋。其实未必。我们着陆时间更长,一方面是用了更大的超音速减速伞,它能在更高的高度开伞,自然能争取更多空中调整时间;同时“祝融号”在着陆过程中加了两次主动悬停避障,这是美国探测器所没有做到的。

  在大约下降到800~600米左右高度时,着陆器会悬停,通过拍摄着陆区地表情况、由计算机分析障碍,从中挑一块着陆区,这叫“粗避障”;当下降到100米左右再悬停,通过激光扫描着陆点,避开大石块和斜坡坑洞,最后降落到相对平坦的地方。把降落伞和悬停的时间算上,“7分钟”就变成了“9分钟”。悬停避障是中国嫦娥探测器在月球上多次做过的,其实它的难度比马斯克猎鹰火箭垂直降落难度要高很多。

  

  悬停避障

  最后讲一点:所有探测器在火星表面的着陆过程都是全自动的,其间完全没有人为干预,也没办法进行实时干预。火星离地球太远,电波一个来回就需要36分钟,科学家在地球上两眼一抹黑啥也看不到,只能干着急,感觉很“恐怖”。加上火星大气层的不确定性太多,如果没有强大的科学实力和工程技术能力,你就算是飞到了火星,大概率也是拍死在那片红土地上。

  以后谁再要BB它的科学有多厉害,你可以拍着胸脯大声说:“老子上火星了,你们呢?”

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