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中美火星探测,技术选择不同 航天专家:天问一号采用传统着陆方式不代表落后

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  【环球时报记者 郭媛丹 环球时报特约记者 晨阳】中国天问一号火星探测器于15日成功在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,火星上首次留下中国人的印迹。美国有线电视新闻网15日称,中国由此成为全球第二个能在火星表面展开科研探测的国家。但也有部分西方媒体称“中国不过是重复了美国多年前就完成的事而已”。在火星探测领域,中美技术有何不同?《环球时报》记者16日就此采访了多名航天专家。

  传统着陆方式不代表落后

  在15日的降落过程中,天问一号自主完成了难度非常大的“惊魂9分钟”:它首先借助火星大气进行气动减速,克服超高速摩擦产生的高温、气动带来的姿态偏差等挑战,将每小时约2万公里的下降速度减掉90%左右;紧接着,天问一号打开降落伞,进行伞系减速,当速度降至每秒100米时再通过反推发动机减速,进入动力减速阶段。距离火星表面100米时,天问一号进入悬停阶段,精准避障、缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构和气囊的保护下稳稳降落在火星表面。

  《航空知识》主编王亚男16日对《环球时报》记者表示,美国在火星探测领域成功次数非常多,降落模式更是花样繁多:气囊弹跳方式、反推发动机减速方式和看上去最令人匪夷所思的“天空起重机”方式。

  他表示,中国天问一号采用反推发动机减速方式并不代表落后,而是根据火星车的实际需求制定的降落方法。例如采用“天空起重机”的美国“毅力”号火星车重量超过1吨,如果用传统的着陆方式,着陆器需要很强大的支撑结构,将导致探测器非常笨重。而天问一号搭载的祝融号火星车重量只有240公斤,虽然它的着陆方式看起来传统,却是经过验证的成熟技术。“我们在探月任务时不止一次地实践过,所以在登陆火星时使用该技术无疑是最可靠的。中国首次登陆火星,确保任务的圆满成功是目的所在。”

  空气动力学家、航天技术专家黄志澄16日接受《环球时报》记者采访时也表示,具体采用什么降落方式,取决于火星车的重量和使命。例如“天空起重机”也无法满足未来火星载人着陆器需求,后者重量可能达到13吨以上,因此届时美国还需要发展新的技术。

  缺乏一手核心数据

  王亚男表示,美国在之前多次的火星探测任务中,积累了丰富的数据和经验,这种优势是中国首次火星探测任务无法相比的。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坦承,“我国首次实施火星探测任务,没有火星环境特别是大气等参数的一手数据,相当于在一个完全未知的环境步步摸索,难度可想而知。”

  

  缺乏一手核心数据也是天问一号为何在火星轨道上停留3个月才降落的重要原因之一。目前美国航空航天局(NASA)在火星轨道运行有“火星勘测轨道飞行器”“火星大气与挥发演化”探测器和“火星奥德赛”号等多个探测器,它们不仅提供了火星环境的大量数据,而且还可为“毅力”号火星车提供中继通信服务,使后者可以安心地直接降落在火星表面。

  中国天问一号就没这么好的条件,由于美国禁止NASA与中国展开航天合作,天问一号必须预先借助自身携带的高分辨率相机,选择好合适的区域才能降落。此外,在火星轨道上分离的天问一号环绕器还将“一机多用”:它先作为飞行器,将着陆巡视器送至火星着陆轨道,然后作为通信器,建立与地球之间的中继通信链路,未来还要作为探测器对火星进行科学探测。

  探测任务难度有差别

  专家普遍承认,美国“毅力”号火星车的探测任务比中国天问一号的难度更高。黄志澄表示,“毅力”号上搭载的仪器主要是用于探索火星上是否存在生命,目标是为载人登火星做准备。而中国主要是关注火星土壤和环境,双方在探测技术上也有差距。

  王亚男表示,“毅力”号携带的火星直升机首次在地球以外的大气中飞行,意义非常重大。其次,“毅力”号还首次以火星大气中的二氧化碳为原料,直接通过高温电解的方式生成一氧化碳和氧气,这意味着人类在技术上有可能以火星大气为原料直接制取呼吸所需要的氧气。他认为,“在火星探测领域,中国还是初次到访者。现在进行的包括对于火星表面的岩石成分、土壤、地质和大气构成等基础研究,是探测火星必须要做的必修课。而美国已经是屡次到火星‘串门’的行家,因此在火星上工作内容肯定比中国要深入和丰富。”但他强调,总体而言,中美在火星探测技术的差距正在缩小。

  延伸阅读:

  时速21000千米要降为0火星进入方案决定天问"生死"

  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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