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“祝融号”火星车即将驶出 即将实施两器互拍

祝融号火星车首批“摄影作品”公布

NASA镜头下的“祝融号”是怎样的

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  “天问号”探测器于昨天成功软着陆星表。目前,祝融号火星车正在进行“体检”,“体检”合格后,5月22日,它将会驶离着陆平台,开展巡视探测等作。预计于5月28日,巡视器与着陆器还将进行两器互拍。届时,我们就能看到来自火星的壮美景观和五星红旗闪耀火星了。

  

  火星留下中国足迹

  天问一号发射前,航天科技集团五院天问一号探测器系统总设计师孙泽洲和团队在文昌发射场呆了整整4个月,一直到发射之后才回来。在新疆,他们寻找模拟火星环境的沙漠,做了一个月的测试;在内蒙古,他们在空旷的草原做空投试验;在河北,他们也待了两个多月,测试探测器的避障等能力。尤其在新疆,那里风沙很大,有时,孙泽洲被风沙吹得灰头土脸。而天问一号着陆前这两个月,他一天也没休息,一直在梳理整个着陆的各个环节中可能存在的状况,确保不出现漏项。

  天问一号已经是孙泽洲作为总设计师设计的第三个深空探测器。此前,嫦娥三号和嫦娥四号也都是孙泽洲与团队的成果。孙泽洲的这种“拉满弓”的状态,从2004年嫦娥工程立项就开始了。也是从那年开始,中国航天正式进入探月时代。而我国的月球车,正是他操刀设计的。

  在得知天问一号成功着陆火星后,孙泽洲和探测器系统总指挥赫荣伟也紧紧拥抱在一起。他表示,与月球探测任务相比,火星探测不仅要面临最远4亿公里的遥远距离,而且火星环境与地球环境有较大差异且不确定,此外,我们没有火星大气模拟实测手段,也没有经过飞行验证后的数据,火星大气稀薄受季节、夜昼、火星风暴等影响非常不稳定;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。要想平安稳定地降落到火星表面,首当其冲的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。“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。”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。这一次,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。

  孙泽州介绍说,天问一号火星探测器从火星大气层外缘通过软着陆的方式降落到火星表面,整个着陆过程步步惊心,技术十分复杂,大致分为以下几个步骤:先是探测器瞄准进入火星大气层的一个狭窄的进入走廊,接着气动减速,然后火星专用降落伞展开;待降落伞完成使命后,探测器抛掉大底和背罩,露出着陆平台和火星车;大推力发机动开始工作,探测器观察地面,寻找最安全的具体着陆地点;最后四条着陆腿稳稳降落在火星表面。整个过程,短暂又复杂,地面完全没有干预的机会,完全靠“天问一号”自主决定各个动作执行的时机。

  孙泽洲说,我们现在探测火星的经验,很大程度上是在探月的基础上积累的,探月为我们的行星探测打下了很好的基础,这次敢于一次任务同时实现“绕、着、巡”就是因为之前我们在月球着陆时打下的技术基础,这些技术可以服务于探测器登陆火星一些问题的解决。但从38万公里到4亿公里,这个难度级数不是在一个档次的。并且,火星的大气由于季节的变化,存在很大的不确定性。“深空探测,第一次总是有困难的,但随着我们走的次数越多,越来越远,我们留在太空中的这些航天器,他们不仅完成他们的航天任务,他们还可以为后续任务提供中继支持、遥感数据支持等。”如今,天问一号成功登陆火星后,我国第一辆火星车即将闪亮登场。让我们期待“祝融”的精彩表演。

  9分钟内速度从2万千/小时降到0米/时

  航天科技集团五院总体设计部星探测器总体主任设计师王闯告诉记者,被星成功捕获以后,天问号经过个的充分准备终于开启了第阶段任务——“着陆”。星的北半球多平原,南半球多地,因此此次星软着陆的地点就选择在星北半球的乌托邦平原的南部。整个降落过程致分为进——减速——软着陆三步,简称为EDL(Entry,Descent,Landing)。天问号在进火星层以后先借助星,进动减速,这个过程它克服了温和姿态偏差。动减速完成后,“天问号”的下降速度也减掉了90%左右。紧接着“天问号”打开降落伞进伞系减速,当速度降100米/秒时,天问号通过反推发动机进减速,由减速阶段进动减速阶段。在距离星表100时,天问号进悬停阶段,完成精避障和缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构的保护下,抵达星表。

  总的来说,整个过程天问号在9分钟内将约2万千/时的速度降到0/时。值得提的是,虽然此前我国已有表着陆经验,但是此次天问号星软着陆任务更加艰难。一方面星表存在(星表的密度是地球表密度的1%左右),因此星比月球的环境更复杂;另星离地球距离更加遥远,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,只能靠天问号主完成,经历“未知9分钟”,这9分钟也可以称为“黑色9分钟”。

  “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。

  

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

  “降轨、分离、升轨”三步曲步步惊心

  这一次,火星环绕器由中国航天科技集团八院抓总研制。与美国“毅力号”到达火星直接着陆不同,我国天问一号采取先环绕再着陆的方式,主要原因是我国首次发射探测器去火星,对火星表面环境及地形不是很了解,需要先捕获进入环火轨道,在环火停泊轨道上对着陆区进行详查,确定着陆区情况后再进行着陆火星。

  两器分离及着陆过程是什么样的?航天科技集团八院天问一号探测器副总指挥张玉花介绍说,天问一号火星探测器在周期为两个火星日的停泊轨道上运行,在到达近火点前约6小时,环绕器4台120N发动机点火约两分多钟,实施降轨机动,进入火星大气进入轨道,之后转为两器分离姿态,并执行两器分离动作。着陆巡视器和环绕器分离后,继续沿火星大气进入轨道飞行,分离后再经过3个多小时进入火星大气,依靠气动外形减速、降落伞减速、发动机减速、悬停避障,最终安全着陆在火星表面。环绕器则在分离半小时后进行升轨机动,返回停泊轨道。

  

  两器分离及着陆过程风险点是什么?两器分离经过了“降轨、分离、升轨”三步曲,可谓步步惊心。降轨偏差过大,会影响着陆巡视器进入火星大气时进入角、经纬度等参数,最终影响着陆巡视器进入火星大气后的着陆过程,遇到此情况地面可以终止分离流程;分离有问题,探测器能够自主判断取消分离,继续携带着陆巡视器飞行,等待后续着陆机会;分离成功,但环绕器升轨近火点高度不够,会有进入火星大气坠毁的风险,探测器具备轨控故障自主处理能力,保证升轨过程可靠执行;着陆巡视器进入火星大气至着陆到火星表面,整个过程时间短动作多,全部依靠器上自主完成。

  如何知道两器分离及着陆过程中信息?八院技术专家昨天介绍说,两器成功分离后,环绕器和着陆巡视器通过UHF中继通信设备进行信息交互,着陆巡视器将分离后及着陆过程中的遥测信息通过UHF中继通信发送给环绕器,环绕器使用大口径高增益天线对地转发这些重要遥测数据,再经过17分钟左右的无线电波远距离传输时间,地面就可以收到这些重要的着陆过程信息。

  着陆之后后续工作有哪些?她说,着陆巡视器安全着陆后,进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开,火星车驶离着陆平台,行驶到火星表面开展巡视探测。环绕器在完成着陆过程的中继通信任务后,再在周期为两个火星日的停泊轨道上运行一圈,之后在近火点实施变轨机动,将轨道变为周期为三分之一个火星日的中继轨道,这样一个火星日内,环绕器可为火星车提供一次近火点中继通信和一次远火点中继通信,为后续的巡视探测任务提供指令上注和探测信息传输服务。

  即将开启火星探险

  成功着陆后,“绕”“落“巡”的串联任务终于进到最后步。着陆后,进舱将着陆信息通过环绕器转发地。进舱和星先后完成坡道及太阳翼天线展开,星将在第时间将成功展开的消息传回地。切准备就绪后,星将主的驶离进舱,抵达,开始新的征程。

  探测星不仅是程任务的突破,更是星科学领域的突破。除了常规的通信、能源(太阳能帆板)、撑结构、动系统等部分外,“天问号”整体上携带了13种科学载荷,其中7个在星上空的环绕器上,分别是中分辨率相机、分辨率相机、次表层探测雷达、星矿物光谱探测仪、星磁强计、星离与中性粒分析仪、星能量粒分析仪。6台分布在星上,分别是多光谱相机、次表层探测雷达、星表成分探测仪、星表磁场探测仪、星象测量仪、地形相机。它们共有五使命,主要涉及星空间环境、地表形貌特征、壤表层结构等研究,将给中国带来星的第资料。其中,与象有关的研究项将收集有关温度、压、速和向的数据,并研究星的磁场和重场,这些也将解答众的好奇——星究竟是什么样的候。

  登陆火星后,接下来将在合适的时机释放祝融号火星车。中国曾数次造访球,积累了宝贵的经验。但球与星最的不同,便在于表近乎真空,星有层。这则会增加探索星的难度。星上的速可达每秒180,这乎是地球上特台速的3倍还多。这如野兽般凶暴的烈会掀起量的沙尘,石块,形成特沙暴。对这样的情况,设计师使了种新型材料,这种材料不易沾上灰尘,即使沾上,也可以通过振动将其抖落。星表还密布着块等障碍物,这就使得星的驶需要更加地“翼翼”。以免被障碍物卡住造成操作的迟滞。当在星上遇到复杂的路况时,地球上的星将对星路况进模拟驶,确认误后才会发出指令。按照计划,90个星后,星将结束巡视探测作,环绕器也将进轨道调整,从开展环绕科学探测。

  广州日报·新花城记者:肖欢欢

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