2021年5月15日 星期六

天問抵火星 祝融尋奧秘

        2020723日,天問一在文昌衛星發射中心升空。經過長達9個多月火星任務,「天問一號」已在太空運行295天,距離地球約3.2億公里,此次“祝融號”著陸火星已經歷了驚心動魄的“恐怖9分鐘”。後續,“祝融號”火星車將開展火星巡視探測之旅。自此之後,火星終於迎來第一個來自中國的訪客——天問一號探測器!國家航天局15日宣佈,科研團隊根據“祝融號”火星車發回遙測信號確認,515718分,天問一號著陸巡視器成功著陸於火星烏托邦平原南部預選著陸區,中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。

  國家航天局表示,15日淩晨1時許,天問一號探測器在停泊軌道實施降軌,機動至火星進入軌道。4時許,著陸巡視器與環繞器分離,歷經約3小時飛行後,進入火星大氣,經過約9分鐘的減速、懸停避障和緩衝,成功軟著陸於預選著陸區。兩器分離約30分鐘後,環繞器進行升軌,返回停泊軌道,為著陸巡視器提供中繼通信。“祝融號”火星車即將走出著陸平臺,通過搭載科學載荷,探測火星的形貌、土壤、環境、大氣,研究火星上的水冰分佈、物理場和內部結構。按照計劃,在緊張工作90個火星日後,“祝融號”火星車將結束巡視探測工作,天問一號環繞器也將進行軌道調整,從而開展環繞科學探測。

  天問一號攜帶13種科學載荷,共有五大使命,主要涉及火星空間環境、地表形貌特徵、土壤表層結構等研究,將給中國帶來火星的第一手資料。

  值得一提的是,天問一號15日經歷的是整個探火之旅中最為兇險、最為驚心動魄的“恐怖9分鐘”,就是“進入/下降/著陸(簡稱EDL)”這一階段。航太科技集團五院天問一號探測器總設計師孫澤洲表示,火星探測最大的難點就是EDL,這個過程需要融合氣動外形、降落傘、發動機、多級減速和著陸反衝等多項技術才能實施軟著陸。每個環節都必須確保精準無誤,差一秒都可能造成整個任務的失敗。

  中國首次火星探測任務於2016年正式批覆立項,計劃通過一次任務實現火星環繞、著陸和巡視,對火星進行全球性、綜合性的環繞探測,在火星表面開展區域巡視探測。天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成,著陸巡視器包括“祝融號”火星車及進入艙。探測器自2020723日成功發射以來,在地火轉移階段完成了1次深空機動和4次中途修正,於210日,成功實施火星捕獲,進入大橢圓環火軌道,成為中國第一顆人造火星衛星。

  2021224日,天問一號探測器成功實施第三次近火制動,進入週期2個火星日的火星停泊軌道後,對火星開展全球遙感探測,並對預選著陸區進行詳查,探測分析地形地貌、沙塵天氣等,為著陸火星做準備。目前,探測器已在太空運行295天,距離地球約3.2億千米。

  火星探測風險高、難度大,探測任務面臨行星際空間環境、火星稀薄大氣、火面地形地貌等挑戰,同時受遠距離、長時延的影響,著陸階段存在環境不確定、著陸程式複雜、地面無法干預等難點。此次,天問一號任務突破了第二宇宙速度發射、行星際飛行及測控通信、地外行星軟著陸等關鍵技術,實現了中國首次地外行星著陸,是中國航太事業發展中又一具有重大意義的里程碑。

「星際專車」周身刀 入軌登陸立大功

2021515日淩晨,天問一號火星探測器成功實施兩器分離,著陸器成功穿越火星大氣在火星表面實現軟著陸,環繞器再次入環火軌道成為著陸器與地球的通信中繼站,同時繼續進行火星環繞探測。這是國際上首次於一次火星探測中實現繞、落、巡三大任務,既是“星際專車”又是通信中繼站的天問一號環繞器在其中發揮著巨大作用。

  據航太科技集團八院的專家介紹,天問一號包括環繞器和著陸巡視器兩部分,環繞器需要首先在攜帶著陸巡視器的情況下控制到撞擊火星的軌道,實施兩器分離後,環繞器需要迅速抬升軌道,而著陸巡視器則進入火星大氣層。這個分離前後的控制需要約7小時,環繞器作為搭載著陸巡視器的星際“專車”,需要順序完成軌道降低發動機點火和關機、兩器分離姿態建立、兩器分離後軌道升高發動機點火和關機等一系列動作。

  “這是一系列很關鍵的姿態和軌道機動,稍有不慎,探測器就可能被火星引力拉向火星表面,而由於通訊時延的存在,我們並沒有辦法即時獲知探測器的狀態並對異常情況進行干預。”環繞器副總設計師朱慶華表示。

  在完成著陸器的“專車”使命後,環繞器將成為一座功能強大的通信“中繼站”,為火星表面巡視器與地球搭建通訊橋樑。專家表示,在距離地球2.93億公里的軌道上準確指向地球,相當於要在2米開外瞄準繡花針孔,而且要在環繞器自身還在不斷的飛行運動情況下,時刻保持住瞄準狀態。

理大團隊成果 着陸測量「利器」

  這次成功著陸火星,理工大學也有參與,理大有兩支跨學科科研團隊參與其中,分別為火星著陸區的地形測量和評估,以及落火狀態監測相機(即火星相機)的研製作出貢獻。

  理大15日表示,今次成功著陸是國家航太事業發展的重要里程碑,校方致以衷心祝賀。理大校董會主席林大輝博士說:“火星探索計劃任務艱巨,是次壯舉證明中國在深空探測方面的技術和能力。理大的科研團隊會繼續為火星探測計劃作出貢獻,並祝願整個探測計劃取得圓滿成功。”

  理大校長滕錦光教授說:“理大很榮幸有兩支跨學科科研團隊參與其中,分別為火星著陸區的地形測量和評估,以及落火狀態監測相機(即火星相機)的研製作出貢獻。理大也已於近日成立了由容啟亮教授領導的深空探測研究中心,將繼續不遺餘力支持更多航太技術的研發,致力以科研力量貢獻國家發展。”

祝融號「荒野求生」 「孿生弟」地球護航

天問一號成功著陸後,“祝融號”火星車將開啟火星巡視探測之旅。面對極為惡劣的火星環境,“祝融號”必須足夠強大,才能在這個紅色星球上“荒野求生”。

  中國曾數次造訪月球,但火星與月球不同,月表近乎真空,而火星有大氣層,這大大增加了探索難度。火星上的風速可達每秒180米,這幾乎是地球上特大颱風風速的三倍多。這樣的烈風可能會掀起大量的沙塵、石塊,形成特大沙暴。面對這種情況,設計師使用了一種新型材料,這種材料不易沾上灰塵,即使沾上也可以通過振動將其抖落。

  火星表面還密佈著石塊等障礙物,這就使得火星車的行駛需要更加小心,以免被障礙物卡住造成操作的遲滯。

  在中國航太科技集團五院的實驗室中,有一台與“祝融號”一模一樣的火星車。當“祝融號”在火星上遇到複雜路況時,地球上的火星車將對火星路況進行模擬行駛,確認無誤後才會發出指令。

  “祝融號”上還有很多黑科技,助力它在火星的“荒野求生”,例如火星車使用的熱控材料是新型保溫材料──納米氣凝膠,因為火星表面有稀薄的大氣,必須針對這一特殊的太空環境採用新的保溫材料。 


天問一號成功着陸後,“祝融號”火星車將開啟火星巡視探測之旅 。上圖為 “祝融號”火星車模擬圖。


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