详解天问一号着陆火星惊心动魄9分钟:两万公里到零的降速

来源:IT之家 | 2021-05-17 11:52:05 |

5 月 16 日消息我国“祝融号”火星车昨日确认天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,宣示我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

据央视报道,到目前为止,人类进行的火星探测任务成功率只有 50% 左右,这其中大部分都是失败在了着陆火星阶段。

IT之家了解到,天问一号从进入火星大气到最终着陆成功,大约经历了 9 分钟的时间,考虑到天问一号与控制中心距离遥远,通讯延迟甚至达到 18 分钟之久。毋庸置疑,天问一号着陆巡视器着陆火星可以说是闯过了重重难关。

央视昨日请到了相关领域的专家为大家进行讲解,并通过动画向大家展示了天问一号着陆巡视器是如何在这短短几分钟内将速度从每小时近 2 万公里的状态降低到零,并且安然着陆的过程。

1.环火 3 个月

5 月 15 日凌晨 4 时许,火星上空,天问一号探测器系统中的“两兄弟”在做最后的告别 —— 相伴 295 天后,环绕器和承载着祝融号火星车的着陆巡视器正式分离。

随后,环绕器抬升自己轨道,迎来新的使命 —— 为火星和地球之间架起通信桥梁。

此时,着陆巡视器独自上路,它调整姿态,防热大底朝前,沿着进入火星大气层的轨道滑行,瞄准进入火星大气层的狭窄“走廊”。3 小时后,它进入火星大气,迎来整个火星探测任务的惊心动魄时刻。

“天问一号”距离家乡 3.2 亿公里,是走得最远的中国远行客。去年 7 月 23 日,它从海南文昌启程,迄今已跋涉 295 天。

今年 2 月 24 日,它踩下了“史上最难”的太空刹车 —— 通过 3 次近火制动,成功进入火星轨道,顺利飞抵火星。在火星上空踩下的这几脚刹车,分寸有多难拿捏?正如科学家比喻的那样,就像从巴黎打出一个高尔夫球,让它落进东京的某个球洞里。

到达火星上空后,“天问一号”没有立即降落,而是环火飞行数月。中国首次探测火星,最重要的是妥妥成功,因此,“天问一号”选择了最稳妥的模式 ——“先绕后落”。

在近 3 个月时间里,“天问一号”在火星停泊轨道上“兜圈”式飞掠,不停地鸟瞰着陆点 —— 乌托邦平原。它借助携带的相机和光谱仪,看清了火星的地形地貌,监测到了火星沙尘暴的当季动向,也看到了着陆地区的坡度、凹坑等。

科研人员根据观察到的最新情况,不停地完善火星着陆方案,避开恶劣的火星天气,选择一个“风和日丽”的日子实施火星着陆计划。

2. 自主闯险关

火星着陆素有“黑色 7 分钟”的说法,最早起源于美国火星探测任务,揭示着陆过程的险象环生,具体耗时却不尽相同。中国“天问一号”任务中,探测器从进入大气到着陆火星,全程预计 9 分钟。

火星稀薄的大气屏障曾让数个人类探测器殒命。一头扎进不可知的大气环境,是世界一半以上火星探测器着陆失败的主要原因。“天问一号”在赢得荣誉前,先要经受世所罕见的残酷考验。主要是因为火星大气环境的特殊性。火星有一层稀薄的大气,这使得火星着陆与登陆月球相比,不能仅采用动力反推的方式,还需增加气动减速和伞系减速等环节,因而着陆控制更为复杂。虽然地球也有大气层,却与火星不同。火星表面的风沙和尘暴,会对着陆火星产生致命干扰。

另一个难点在于,当火星探测进行到着陆最为凶险的一步时,探测器与地球将短暂“失联”。火星探测器总体主任设计师王闯介绍,首先,探测器高速再入时和稀薄大气积压产生击波,形成等离子鞘层,导致通信中断;其次,因为火地距离 3.2 亿公里,无线电信号一来一回要 35 分钟左右,着陆过程却只有短短几分钟,你我根本来不及干预。

3. 两万公里到零的降速

7 时许,天问一号着陆巡视器飞向火星大气层,“惊心动魄 9 分钟”拉开序幕。此前人类 21 次尝试着陆火星,美国取得 8 次成功,苏联火星三号着陆 20 秒后失联,其他尝试均告失败。现在,中国队来到赛道。

着陆巡视器快速冲向火星,时速高达 2 万公里,约为“和谐号”高铁时速的 70 倍。从火星上空到达火星表面,总共不到 10 分钟,如何在这么短时间里把速度从 2 万公里降到零?火星着陆的终极手段是降速。

“天问一号”任务火星着陆共分为 4 个阶段:气动减速段、伞系减速段、动力减速段、悬停避障与缓速下降段。“火星着陆过程复杂、动作繁多,环环相扣、步步惊心,一招出错、全盘皆输。”耿言说。

第一阶段为气动减速段,火星既有的稀薄大气与进入舱产生摩擦实现减速。着陆巡视器被装在进入舱中,进入舱分为背罩和大底,大底是一个盾形结构,飞入大气层时,大底斜向下对抗冲击和烧蚀。航天科技集团的研制团队进行了大量风洞试验,从积累基础数据开始,最终完成了进入舱气动外形和热防护的研究、设计。

气动减速阶段有一个环节是展开配平翼,目的是减少探测器的晃动,给后续打开降落伞创造更好条件。

气动减速过程克服了高温和姿态偏差,约 5 分钟减速后,着陆巡视器的下降速度也减掉了 90% 左右,降到每秒约 460 米。这时,着陆巡视器距离火星表面约 11 公里,着陆进入第二阶段 —— 伞系减速段。

航天科技集团五院 508 所总工程师黄伟介绍,着陆火星,我国要首次在超声速、低密度、低动压的条件下开伞,以往航天器的降落伞不适合在火星使用,要么是不能在超声速下完成对降落伞的稳定充气,要么是不能满足低密度低动压条件下的稳定性需求。

针对火星探测任务,降落伞设计师首次设计使用了锯齿形盘缝带伞型,并采用了新研制的特纺材料,创新了伞绳插接工艺,提高了降落伞的强度与可靠性。

随着红白色巨型降落伞的展开,着陆巡视器下降变得更慢,随后进入舱的大底抛开,承载着祝融号火星车的着陆平台率先与火星打了照面。

4.“祝融”稳落火星

降落伞把速度降到每秒约 95 米,着陆巡视器距离火星表面 1-2 公里,此时,降落伞携带进入舱的背罩与着陆巡视器分离。“祝融”露出头来,呼吸到了火星上的新鲜大气。

但降落还没有停止,惊心动魄时刻并未结束,此时,推进系统开始担纲主力,火星着陆进入第三个阶段 —— 动力减速段。

天问一号着陆巡视器推进分系统主任设计师韩泉东介绍,着陆巡视器上配置了 1 台 7500 牛变推力发动机和 26 台姿控发动机。在多台发动机的作用下,着陆下降速度从每秒约 95 米降至每秒约 1.5 米。

距离火星表面 100 米时,着陆巡视器悬停下来,但还不是休息的时候,火星着陆过程进入到最后一个阶段 —— 悬停避障与缓速下降段。

人类探索火星的减速方式大致相似,但到了最后一步,距离火星咫尺之遥时,方式开始多样起来。综观以往,最后一步大致可分为气囊弹跳式、反推着陆腿式和空中吊车式。

天问一号着陆巡视器采用的是反推着陆腿式在火星表面软着陆,这同我国探月工程嫦娥三号和嫦娥四号着陆月面的方式类似。悬停在空中后,着陆巡视器搭载的微波测距测速敏感器、光学相机等 6 台仪器都同时开启,对火星表面进行观察和分析,判断出火星表面哪里更平整,在哪里“落脚”更安全。

7 时 18 分,4 条着陆腿与火星表面第一次亲密接触。触地后,带有缓冲装置的 4 条着陆腿有效抵挡了着陆瞬间的冲击力,在与推进系统共同作用下,重 1.3 吨的着陆巡视器稳稳地落在火星乌托邦平原南部的预定着陆区域。

闯过“惊心动魄 9 分钟”,中国首个火星探测器平安抵达火星表面。从上空俯瞰,“祝融号”像一只展翅的大鹏,不日,它将驶下着陆平台,在火星表面轧下第一道“中国印”。


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