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天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

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央视新闻客户端2021年02月24日

2021年2月24日6时29分,首次火星探测任务天问一号探测器成功实施第三次近火制动,进入近火点280千米、远火点5.9万千米、周期2个火星日的火星停泊轨道。探测器将在停泊轨道上运行约3个月,环绕器7台载荷将全部开机,开始科学探测。同时,载荷中的中分辨率相机、高分辨率相机、光谱仪等将对预选着陆区地形地貌、沙尘天气等进行详查,为择机着陆火星做好准备。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

天问一号探测器自2020年7月23日成功发射以来,已在轨飞行215天,距离地球2.12亿千米。2021年2月10日探测器进入环火轨道,于2月15日实施了远火点轨道平面机动,2月20日实施了第二次近火制动,目前设备状态正常,各项飞控工作正常开展。(总台央视记者 崔霞 李厦 国家航天局 杨璐)

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【天问一号再踩几脚刹车,减速完成泊车】

澎湃新闻记者 张静

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

2月10日,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器3000N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入近火点高度约400千米,周期约10个地球日,倾角约10º的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标,环绕火星获得成功。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

2月10日,在北京航天飞行控制中心,航天科研人员在监测“天问一号”探测器工作情况。 新华社发 国家航天局供图

这一脚刹车既不能用力过猛,也不能踩得太轻

探测器到达火星引力范围内后,需要近火制动,也就是临近火星后“刹车”减速,避免探测器飞出或撞上火星。当被火星捕获,探测器成为一颗火星卫星。

不久前,嫦娥五号探测器也通过“踩刹车”进入环月轨道,完成了近月制动。与探月相比,天问一号探测器的近火制动要困难得多。

由于地球和火星距离太远,通信时延超过10分钟,因此地面不能做任何实时控制和干预。 航天技术专家黄志澄对澎湃新闻表示,这就要求轨道器必须有很强的自主能力,同时地面上也要求有很强的深空探测发射信号和遥测数据的通讯设备。

中国航天科技集团五院、天问一号探测器副总指挥李振才表示,以往会听到飞控团队下达“发动机开机”指令,而这一次探测器将自己判断并自动执行开机,地面团队只能在近一个小时后根据遥测数据得知最终的“刹车”完成情况。

进入火星轨道的最大难点是近火制动,这一脚“刹车”既不能用力过猛,也不能踩得太轻。踩得太重,会对后面的飞行时序产生巨大影响。踩得太轻,就会飞离火星。

而且制动捕获只有一次机会,下一次合适的窗口期是在2033年。机不可失,制动的时机、时长、力度等都必须十分精准。黄志澄表示,所以需要有非常精确的轨道计算和发动机推力的精确计算。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍,探测器实施制动减速时,要先调整飞行姿态,将发动机喷管朝向前方,等时机恰当时点火开机,以此降低探测器的速度。整个制动过程的控制必须十分精准。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

2月10日,在北京航天飞行控制中心指挥大厅,航天科研人员庆祝我国首次火星探测任务“天问一号”环绕火星成功。 新华社记者 金立旺 摄

还要再踩几脚刹车,减速完成泊车 

天问一号火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成。为保证着陆巡视器顺利完成火星着陆,天问一号需要进行多轨调整,通过精准操作来不断变动轨道和速度,通过更加复杂的轨道控制保证“泊车”。

首次火星探测任务在完成火星捕获后,天问一号进入到环火轨道中,在远火点进行一次平面机动,调整飞行的轨道倾角,为后续“泊车”工作审时度势、奠定基础。

当回到近火点时,它就要慢踩刹车,准备更换线路,迈入到停泊调相轨道,对轨道周期进行相应调整,以保证轨迹经过预定的着陆点。

当天问一号在停泊调相轨道上再次到达近火点时,需要进行第三次刹车,进入停泊轨道,并在该轨道上进行多次维持,对着陆区进行拍摄成像,选择合适的位置,完成“泊车”的最后一步,即实现环绕器与着陆巡视器的分离,着陆巡视器进入到火星大气,完成这一阶段的全部任务。

天问一号的首选着陆点位于火星乌托邦平原南端,计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。黄志澄对澎湃新闻表示,“最重要的是最后进入火星大气层并减速,这就是所谓的 ‘恐怖的7分钟’,要在7分钟之内将很高的速度降低到1/10。”

“火星上大气并不是地球上的空气,它的密度很低,所以要在7分钟之内把很高速度的火星探测器降到火星表面安全着陆,这是世界难题。”黄志澄说道。

最近的一个例子,就是2016年欧空局和俄罗斯航天局联合研制的ExoMars轨道器。虽然成功进入火星轨道,但斯基亚帕雷利号着陆器却登陆失败。“这已经集中了欧洲和俄罗斯的力量,目前除了美国,其他国家都没有成功。后来经过一年调查是软件设计中存在问题。”

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

2月5日,这是国家航天局公布的“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像及火星部分标志性地貌标示。 新华社发

“绕、着、巡”若一气呵成,天问将创人类新纪录

人类进击火星的尝试由苏联在1960年开启。从1960年苏联首次尝试向火星派遣探测器算起,到2020年火星发射窗口之前,人类已经发起过45次火星任务,其中有17次带着火星着陆目标,但仅有8次成功,全部由美国完成。

1964年发射的美国 “水手四号”成功“飞掠”火星并拍下照片;1971年发射的美国“水手九号”率先进入火星轨道环绕并拍下海量照片;1975年发射的美国“海盗一号”成功软着陆火星;1996年发射的美国“探路者号”在火星上移动了约100米。可以说,美国用32年完成了“掠、绕、落、巡”。

我国首次火星探测任务提出一次实现“绕、着、巡”三步走。鉴于本轮三国探“火”中,阿联酋的希望号不需要着陆火星,而美国有多次登陆火星的成熟经验并完成了火星车的巡视,中国有望成为第二个在火星上“开车”的国家。

“假如天问一号能顺利着陆火星并开展巡视,这将是非常伟大的。”黄志澄表示,如果我们能把这三步一气呵成,这就是最大亮点,“创造了世界航天史上新的纪录,也代表我们国家航天技术进入新的水平。”

“我们这次火星探测任务最核心、最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程,只有一次机会。”中国航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲表示,研制团队做了充分的准备,专门设计了全新气动外形、新型降落伞等,希望一切顺利。

【美国毅力号迟到,却率先着陆,天问一号为何要苦等3个月?】

飞行近5亿公里,历时203天,美国的“毅力号”火星探测器抵达火星,并且在进入火星轨道之后没有过多地停留,就随即进行了一系列的落火行动。

于北京时间19号4点55分成功着陆在火星北半球伊西迪斯平原西侧的杰泽罗陨石坑。

在整个探测火星的任务当中,有两个难点;

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

第一个就是火星探测器在地火转移轨道上接近火星的时候要制动减速,制动的时间和减速的程度要恰到好处,才能被火星捕获,成为火星的一颗卫星。

速度过快就会与火星擦肩而过,速度过慢就会一头扎近火星大气,与火星相撞。今年前往的三个火星探测任务,阿联酋的希望号轨道探测器,天问一号火星探测器,毅力号都顺利完成了第一步。

第二个难点就是在火星轨道上的落火过程,阿联酋的希望号任务只是环绕火星(2.9号),已经圆满成功,天问一号和毅力号都有着陆火星的任务,都要在火星上部署火行车展开巡视工作。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

目前毅力号在相比于天问一号迟到了9天的情况下,已经率先完成了最后一个难点,而天问一号还在轨道上运行,计划运行3个月,到5月的时候才会择机落火。

那为什么毅力号刚到就可以马不停蹄地落火,天问一号还要等待3个月的时间呢?

有两方面的原因,首先就是落火太难,其次就是天问一号这次的任务不同于人类以往的任何一次探火任务。

落火

在火星上降落可以说是人类进行的所有航天任务中最难、最惊心动魄的操作,火星的质量是地球的1/9,它的第一宇宙速度为3.53km/s,月球的质量是地球的1/81,它的第一宇宙速度只有1.68km/s。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

而探测器在火星轨道上运行的速度只可能超过3.53km/s,不可能低于它,例如毅力号进入火星大气层时候的速度为每秒5.5公里,天问一号未来进入火星大气层时候的速度预计在每秒4.9公里。

降落火星的时间大约为7到9分钟,在这么短的时间内,我们要将探测器的速度降到0,才能保证探测器是平稳地软着陆,而不是一头撞在火星土地上。

从速度上来看,火星降落要比月球难得多,而且火星上有着稀薄的大气层,探测器以如此高的速度进入火星,就会与大气层摩擦产生高温,温度可以达到1300摄氏度,这就对探测器的隔热能力有了一定的要求。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

但有大气的存在也不是一件坏事,我们可以利用大气层给探测器进行气动加速,帮助探测器平稳着陆。

最后的难点在于火星距离地球很远,信号延迟最高能达到11分钟,所以我们在地球上不能完全操作探测器的着陆,一旦探测器进入大气层准备降落,那么这短短的7分钟,所经历的所有事情,都必须由探测器来自主完成,所以这就需要探测器拥有相当高的智能化。

所以落火对于任何一个国家,包括美国在内都不是一件轻而易举的事情,从人类以往发射的火星探测器来看,成功率只有一半,而失败的探测器大部分都死在了落火的过程。

“毅力号”落火大致过程

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

毅力号于19日4点48分,以每小时20000公里,每秒5.5公里的速度冲进火星大气层,姿态飞行器保证探测器在大气层中飞行的过程中不至于胡乱的翻滚。

探测器底部的隔热罩在这个过程中起到了隔热和减速的作用,温度最高达到了2000摄氏度,这个过程经历了大约4分钟的时间。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

探测器的速度大幅降低到了每秒700米,此时距离着落地面只剩下了11公里,探火史上最大直径达21米的降落伞打开,速度瞬间降到了每秒400米,同时抛弃隔热罩;

探测器开始对地面进行雷达扫描选择合适的着陆地点。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

距离地面仅有2公里,速度降到每秒80米的时候,着陆器与降落伞和后壳分离,着陆器上安装的8台火箭反推器开始工作,控制着陆器平稳降落。

并且将速度降低到了每秒20米,此时探测器以匀速下降,寻找合适的地点。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

最后的落火过程,毅力号采用空中吊车的方式落火,反推器与火星车分离,利用尼龙绳把火星车以每秒0.75米的速度放下。

随后反推器熔断尼龙绳索,飞离着陆地点。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

火星车成功着陆后发回了一系列火星黑白照片。

为什么毅力号可以立即落火,而天问一号要等3个月的时间?

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

因为NASA在上世纪的60年代就开始了对火星的探测,付出了巨大的时间和资金成本,当然也总结出了大量的珍贵经验和火星地质、地形、大气的数据,而这些关键数据我们并不清楚,都需要我们自行去获取。

这为NASA现在探火的成功率奠定了坚实的基础。

从人类探索火星的历程可以看出,火星简直就是一个探测器的坟墓,在1975年海盗1号和海盗2号成功着陆之前,大部分的火星探测器任务都是尝试着绕火星飞行,可基本上都失败了。

只有到了2000年以后,探索火星的成功率才有了起色。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

目前包括毅力号在内,这已经是NASA第9次在火星上着陆了。包括1975年的两个海盗号探测器,1997年的火星探路者,2004年的勇气号和机遇号,2008年的凤凰号,2012年的好奇号,2018年的洞察号。

虽然探火很难,但是对于现在的NASA来说,他们已经是轻车熟路了。目前毅力号的成功,也意味着在火星上目前有两个探测器(好奇号)在运行。

除了火星表面的探测器外,NASA还在火星轨道上发射了大量的环火星轨道探测器,目前仍然在运行的有NASA的奥德赛、NASA火星轨道勘察器、NASA火星大气探测器;

这些探测器为NASA提供了火星上大量的实时数据,再加上之前大量的经验,所以无障碍随即落火NASA是非常具备条件的。

可以说NASA在落火之前,很多工作都已经提前做完了。他们不需要等待。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

而天问一号就不一样了,我们对火星的探测是从0开始的,包括首次进入环火星大椭圆轨道,15号我们还调整了探测器的轨道使它的轨道穿越火星的两极,未来我们还继续会调整探测器的轨道。以获取更多的火星数据。

由于我们之前从来没有向火星上发射过任何探测器,这是首次,所以我们对火星大气和地形,以及即将着陆的地点并不是很了解,所以我们需要先让天问一号在火星轨道上运行一段时间,先做一做前期的工作。

还有我们之前并没有落火的任何经验,虽然我们在地球上做了大量的计算、实验论证了天问一号技术的可行性,但这我们毕竟属于第一次,所以所有的准备工作要做的足够充分,才会闯最后的难关。

天问一号探测器成功实施近火制动,进火星停泊轨道

最后天问一号任务是人类探索火星过程中,任务最多、最难的一次,因为我们不仅要实现探测器绕火星飞行,还要落火,部署火星车巡视。

以前NASA进行的所有探火任务,以上的三项工作都是分开进行的,从来没有一次性完成过这么复杂的任务。

因此从任务的难度、先行经验上来说,天问一号需要在轨道上运行一段时间,完成必要的轨道探测任务,才能为后来的落火提供坚实的保障。

我们的落火过程跟毅力号差不过,也是利用探测器隔热罩、降落伞进行气动减速,反推火箭将探测器速度降为0, 悬停,然后平稳在预定的安全地点着陆,唯一的区别就是天问一号没有空中吊车的过程。

预祝5月份,我们的探测器能够完美着陆,开创中国航天的历史性时刻。

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