火星上首次留下中国印迹

2021-05-15 13:21:13 作者: 火星上首次留

人类深空探测三个阶段

人类深空探测活动可分为三个阶段。第一阶段从1958年到上个世纪70年代末,以美苏两国太空竞赛为主导,20多年间发射次数高达174次;以1969年阿波罗11号实现载人登月和1977年旅行者1号、2号发射为代表,载人深空探测和无人深空探测取得重大进展。第二阶段是上个世纪80年代,随着载人登月竞赛结束,主要以金星、火星和哈雷彗星探测为主,深空探测相对沉寂。第三阶段从上个世纪90年代至今,新一轮以科学发现为主要目标的深空探测活动逐渐复苏,欧洲、日本、中国、印度和以色列等国家纷纷加入深空探测队伍。

与一般航天任务相比,深空探测时间跨度大,具有高风险性,需要在科学探索和技术验证间综合权衡。截至2020年6月,人类已执行深空探测任务260多次;探测目标包括月球、太阳、大行星及其卫星、矮行星、小天体(小行星和彗星),乃至太阳系以外的天体。其中,飞行距离最远的旅行者1号探测器,距离地球已超过200亿公里。

深空探测技术要求

深空探测主要关键技术包括行星际飞行技术、深空自主导航与控制技术、深空测控通信技术、智能控制技术、长寿命高可靠性技术、先进能源与热控技术、复杂空间环境防护技术等。

深空探测总目标

探索太阳系和宇宙的起源、发展和演化是深空探测的科学总目标,具体包括太阳系内各天体的起源、发展和演化,地外生命和水的存在,探索空间资源为后续开发利用做准备。

天问一号着陆的“惊魂九分钟”

5月15日,我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上首次留下中国印迹,迈出了我国星际探测征程的重要一步。后续,祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。目前,人类火星探测任务成功率仅有50%左右,而成功登陆火星表面并顺利开展工作的探测任务成功率则更低,大约只有20%,难度可想而知。

火星探测器进入火星大气的时速约为21000千米,但要在7-9分钟内,让速度在受控状态下降为0,实现在火星上安全着陆,这是火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的关键因素,大部分失败都是折戟在这一阶段。

“恐怖9分钟”

5月15日凌晨2时多,天问一号在火星停泊轨道上进入着陆窗口,随后探测器实施降轨,环绕器与着陆巡视器开始器器分离,继而环绕器升轨返回停泊轨道,着陆巡视器运行到距离火星表面 125 千米高度的进入点,开始进入火星大气,并最终软着陆在火星表面。

要想平安稳定地降落到火星表面,首要问题就是让高速奔驰的天问一号减速。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节,天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开,而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。”航天科技集团五院天问一号探测器总体主任设计师王闯介绍说,“ 由于火星大气非常稀薄,进入火星时要求探测器的气动外形具备高效的减速性能,同时需要更轻量化的防热材料。”

除了减速设计,火星进入方案的选择也至关重要,甚至可以说决定“生死”。因为,从开始踏上进入点的那一刻起,天问一号就迎来了此次探火旅程中最为凶险、最为惊心动魄的“恐怖 9 分钟”。目前,人类火星探测任务成功率仅有五成左右,大部分失败都是折戟在“进入/下降/着陆(简称 EDL)”这一阶段。

“火星探测最大的难点就是 EDL,这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须确保精准无误,差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院天问一号探测器总设计师孙泽洲说。为此,早在 EDL前,“天问一号”在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测,获取了大量的着陆区地形地貌的数据,并对火星尘暴发生的概率进行了评估;同时,火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术,以确保安全着陆。“在上述这些措施的基础上,我们还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道-升力式进入方案,以降低火星大气参数不确定性带来的风险,提高适应能力。”