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“天问一号”成功着陆火星!三大疑问揭秘你想知道的那些事儿

互联网 / 作者:猫咪 / 2021/5/17 18:13:150

北京时间2021年5月15日上午8时20分左右,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功着陆火星!

从1960年苏联首次尝试发射,到1965年美国“水手4号”第一次传回数据,再到如今仍漫步在火星表面的“好奇号”,截止目前,人类已经实施火星探测活动40多次,成功和部分成功的任务仅一半左右,能够着陆火星并成功开展探测任务的仅为个位数。

“天问一号”的成功着陆,是中国航天领域的里程碑事件。从此刻开始,我国火星探索迈出的第一步,稳稳当当地落在了红色星球的土地上。

为何绕转火星3个月才着陆?

“天问一号”发射现场

“天问一号”于2020年7月发射升空,同期发射的美国“毅力号”早在今年2月18日便已成功着陆火星“耶泽洛”陨坑,但于2月10日率先到达火星轨道的“天问一号”,为何要围绕火星转3个多月,多次进行轨道调整,今天才最终着陆呢?

首先,到目前为止,美国登陆火星的探测器已有8个,早已获取了大量的火星数据,无需花时间环绕火星飞行,可以直接登陆。而中国是个“探火”新手,因此要提前对火星着陆区成像,并采集数据,为登陆做足准备。

另一方面,与“毅力号”任务不同,“天问一号”将一次性完成环绕、着陆、巡视三大目标任务。在航天史上,这是首例!还从来没有任何一个国家以这种“极限”的方式执行过行星探测任务。

“天问一号”发射到着陆全过程3D动画,视频源自科普中国

中国敢挑战这样的难度,得益于一系列嫦娥计划的成功实施,让中国航天不仅积累了大量技术,也增强了信心。

“天问一号”在登陆火星之前的绕转过程中,每一圈都经过南北两极,对火星各区域进行全方位探测,测量火星上土壤特性和水冰分布,绘制火星的形态学和地质学地图。同时它还收集了部分火星电离层、电磁场和引力场的数据。

“天问一号”绕火星运行轨迹,图自网络

除此之外,“天问一号”还需要对预设着陆点——乌托邦平原的陆区情况进行观察和研究,以找到最佳着陆窗口,避免遇上大的沙尘暴等恶劣天气,从而保证探测器的安全稳定着陆。

着陆过程是怎样的?

虽然我国之前的探月任务中,探测器已经多次成功软着陆月球表面甚至是带回了月壤,但相比月球,火星表面存在大气,并且大气压为地球的1%,环境更加复杂,着陆条件自然也更是严苛。

探测器火星着陆过程常常被NASA称为“黑色七分钟”甚至是“死亡七分钟”。因为火星与地球距离十分遥远,从地球到火星的通信往返时间为6到45分钟,信号存在延迟,这导致整个着陆过程只能靠探测器自己判断和执行,地球地面无法做任何控制。

“天问一号”探测器的整个着陆过程为9分钟左右。这意味着探测器在9分钟内将速度从约4.9 km/s降到0 km/s。

“天问一号”离轨着陆全过程,图自网络

而完成这个任务的第一步,就是借助火星的大气,然而空气摩擦产生的巨大热量冲击也是“天问一号”必须要面对的难题。“天问一号”解决这个问题依靠的是防热盾,能够在减速的同时,防止探测器被巨大热量冲击破坏。

“天问一号”探测器构造,图自网络

在速度降低90%之后,探测器展开随身携带的减速伞,进一步降低速度,直到速度降低到100 m/s以内,探测器抛弃了防热盾和降落伞,开启反推发动机,最终将速度降到了3.6 m/s后,进入悬停阶段,寻找合适的着陆点,从距离火星表面几米高的地方做自由落体下落。

最后软着陆瞬间,不同的探测器各显神通,方法各不相同。

美国的“机遇号”“勇气号”,是弹出一只气囊,让着陆器在上面蹦几十次,直到没有弹力。“毅力号”和“好奇号”采用的都是“空中吊车”的方式,即火星车被空中吊车悬吊着减速触地,着陆后绳索会立即被切断,空中吊车飞离。

“天问一号”着陆器,图自网络

“天问一号”的着陆器由于体重较大,采用的是“支腿式”,在降落过程中,会伸出一个有弹性的缓冲支架,保证着陆器平稳落地。最后,“天问一号”的火星车“祝融号”从着陆器上滑下,“横行”在火星的红色土地上。

“祝融号”火星车1:1模型,图自网络

此时,由于“祝融号”无法直接与地球指挥中心取得联系,“天问一号”的环绕器环绕器会降低轨道,进入一个近火点265公里、远火点12500公里,周期8个小时的轨道,为火星车提供通讯中继。

着陆之后干什么?

“天问一号”着陆在火星乌托邦平原南部。乌托邦平原位于火星北半球,相较于南半球坑洼不平的山地,北半球的平原是更为理想的降落区域,因为这里海拔更低,探测器会有更多时间用于减速。

乌托邦平原位置,图自网络

地质学家认为那里很可能是一个古海洋和古陆地的交界处,有很高的科学价值。

身高185cm,体重240kg的“祝融号”火星车在我们眼里是个大胖子,但六轮全驱的配置,让“祝融号”在火星上能够火力全开,“横行霸道”,即便一个轮胎受到损坏,火星车也能正常工作,十分灵活。

“祝融号”火星车采用我国自主研发的“正十一烷相变保温系统”,能够以太阳能为动力,同时为处在极寒环境中的火星车保温,整个火星车的预测寿命为90个火星日(火星的一天约为24小时40分钟,90个火星日约为92个地球日),但也有可能可以工作得更久。

在这短短一段时间内,“天问一号”的科学目标包括:

(1)绘制火星地质与形态的结构图;

(2)研究火星表层土壤特征和水冰分布结构;

(3)分析火星表层物质组成;

(4) 测量电离层以及火星表面的气候和环境特征;

(5)加强研究人员对火星的物理场(电磁场、引力场)和次表层及内部结构的认知。

简单来说就是,所到之处但凡能收集到的资料,一网打尽。

90个火星日结束后,“天问一号”环绕器还会再次降低轨道,进入一个近火点265公里、远火点12000公里的“科学探测轨道”,对火星表面进行至少一个火星年(约1.88个地球年)的近距离全球探测,同时也可以兼顾火星车的通讯中继。

2016年首个“4.24中国航天日”会上,中国火星探测任务正式立项。如今“天问一号”的一小步,是中国航天科学探索的一大步。期待“天问一号”瑰丽壮美的火星之旅带来更多激动人心的好消息。


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