中国火星车即将着陆火星乌托邦平原

作者: 陈小美

来源: 学术头条

发布日期: 2021-05-14

中国火星探测器天问一号即将在火星乌托邦平原进行着陆尝试,这是中国首次火星探测任务的重要环节。天问一号需要克服复杂的火星大气层减速过程,确保祝融号火星车安全着陆。此次任务标志着中国在火星探测领域迈出了重要一步。

中国的探测器,还从未如此近距离接近火星。绕着火星飞了三个多月的中国火星探测器将要开始着陆尝试。根据国家航天局消息,天问一号探测器拟于北京时间5月15日凌晨至5月19日期间择机着陆于火星乌托邦平原。中国首次火星探测任务天问一号探测器将要一次性完成“绕、落、巡”的工作。今年2月,天问一号成功实施第三次近火制动,进入火星停泊轨道,已经完成3个月的绕飞工作。

着陆阶段则是本次任务的重头,也是技术难点所在。如果着陆成功,祝融号将成为人类史上第六台探索火星表面的火星车。而在此之前,只有美俄两国成功实现过软着陆。根据运行情况,祝融号火星车按照预期最有可能于5月15日上午7点左右着陆火星乌托邦平原。

光是要找到最合适的降落地点也一点都不容易,除了在出发前先根据已有的火星表面信息,选择多个备选方案,探测器过去3个月时间里,在火星轨道上环绕飞行的同时,也在观察和收集相关数据,为着陆做准备。火星表面有悬崖、洞口、沟壑,还有一堆乱七八糟的石头,落点没找好的结果,可能就是大老远送去的火星车在落地瞬间即翻车。

着陆过程一直是火星探测中最凶险的一个环节,被称为“恐怖七分钟”。在进入大气层前,探测器的速度约为4.9公里/秒,要实现软着陆,探测器需要在不到十分钟的时间内将速度降到0。着陆火星减速过程包括大气减速、气动减速、降落伞减速、反推发动机减速等,任何一个步骤都不能有差错,直至软着陆在火星表面。

降落火星的第一个难题,就是进入大气层。难就难在探测器需要以最完美的角度切入大气层。角度太小就会像打水漂一样,被反弹出大气层。角度太大也不行,空气阻力会变得特别大,温度升高导致燃烧、融化。在冲进大气之后,探测器开始减速,火星大气是“拦下”探测器的重要因素。这就是气动减速,祝融号要用290秒左右将速度降至460米/秒。

扛过这一关考验的是探测器的气动外形和放热结构。只要经受住了考验,探测器的速度就能减少90%。接下来,像载人飞船返回地球表面一样,打开降落伞,是祝融号减速的第二步。降落伞的任务,是在约90秒的时间里,把速度降至约每秒100米。只要到这一步,祝融号自己的发动机才会准备开机反推。这就进入了动力下降阶段,探测器上的变推力发动机开机,靠自身动力主动反推减速。

理想情况下,经过周密计算,祝融号会通过一系列减速,到达预定地点,不过还不能着急落地。距离地面100米左右时,探测器进入悬停状态。最后用各种探测器看看下方的火星表明能不能安全降落。祝融号上的微波测距测速敏感器对地面进行测量,光学相机、三位激光相机也会对地面进行成像。若发现地面不平整,降落还存在风险,祝融号会在发动机的帮助下,先进行平移,直到确认地面适合降落。

中国的探测器此前从未成功到访火星,因此天问一号则相当于,需要自己先在环火星轨道上,近距离看清楚地形之后,再找准地方着陆。另一方面,现在环火星轨道上绕飞,有时间等个合适的着陆天气。火星着陆也需要看天,火星表面时常会有沙尘暴,除了影响探测,更影响太太阳光照射。不同于毅力号直接带了一个核电池给自己供电,对依赖太阳能供电的祝融号来说,在天气方面需要更加谨慎。

如果着陆顺利,这会是中国第一次把探测器送到火星表面。这么难得的一次机会,祝融号也在有限的小身子里,把能带的东西都一口气塞下带去了火星。“祝融号”火星车的高度有1.85米,重量达到240公斤左右。车上6种有效荷载包括了地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪。

第一次到火星,对祝融号来说,火星上的一起事物几乎都是新的。带着这一套传感器,祝融号将在火星上开展地表成分、物质类型分布、地质结构以及火星气象环境等探测工作。也别忘了在天上的天问一号环绕器,它也将和祝融号一起,一个在天,一个在地,探测火星表面的地形、土壤、水、大气电离层,甚至寻找生命迹象等。

据了解,祝融号将要着陆的乌托邦平原地势平坦,是古代海洋的海床,光照充足,年平均气温高达-30到-20摄氏度,也被戏称为是未来人类登火的最佳地点之一。碰巧的是,毅力号也在附近,祝融号登陆火星的地点,距离NASA毅力号着陆的位置大概有1800公里。来自中美两国的探测器从地球的两端出发,经过半年多的飞行,最终在上亿公里之外的红色星球上,成了邻居。

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