成功着陆!

编辑:科技日报 文章类型:科学 发布于2021-05-15 11:30:42 共1670人阅读
文章导读 记者从国家航天局获悉,科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,5月15日,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,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。……

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◎ 科技日报记者 付毅飞 操秀英

记者从国家航天局获悉,科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认,5月15日,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,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

“天问一号”探测器于2020年7月23日成功发射,精确入轨后,已按预定飞行程序在轨飞行了约295天。据航天科技集团五院“天问一号”探测器产品保证经理饶炜介绍,自2021年2月10日成功环绕火星后,相继完成了着陆区预探测、轨道维持、自检等关键飞行控制任务,期间,能源平衡,状态稳定,各分系统工作正常。

凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道。4时许,着陆巡视器与环绕器分离,历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于预选着陆区。两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器提供中继通信。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。

“恐怖9分钟”的考验

整个降落过程大致分为进入——减速——软着陆三步。

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为五成左右,大部分都折戟在“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。

“天问一号”火星探测器从火星大气层外缘通过软着陆的方式降落到火星表面,大致分为以下几个步骤:先是探测器瞄准进入火星大气层的一个狭窄的进入走廊,接着气动减速,然后火星专用降落伞展开;待降落伞完成使命后,探测器抛掉大底和背罩,露出着陆平台和火星车;大推力发机动开始工作,探测器观察地面,寻找最安全的具体着陆地点;最后四条着陆腿稳稳降落在火星表面。整个过程,短暂又复杂,地面完全没有干预的机会,完全靠“天问一号”自主决定各个动作执行的时机。


图片来源:中国航天报

虽然此前我国已有月表着陆经验,但是此次“天问一号”火星软着陆任务更加艰难。一方面,火星表面存在大气(火星大气的密度是地球大气的 1%左右),因此火星比月球表面有更复杂的环境;另一方面,火星离地球距离更加遥远,通信时延达到20分钟左右,因此整个着陆过程相距遥远的地表来不及做任何处置。

航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超表示:“我国是首次实施火星探测任务,对火星的环境,特别是大气,类似这些参数,我们没有一手数据,相当于到了一个完全未知的一个环境,这种难度可想而知。”

“大概在9分钟时间内要完成10多个动作,每个动作都是一气呵成,不容得有半分的差错。”国家航天局探月与航天工程中心深空部部长耿言称,这个过程环环相扣,步步惊心。

超音速降落伞:

减速技术中难度最大的环节

要想平安稳定地降落到火星表面,首当其冲的问题就是让高速奔驰的“天问一号”减速。整个过程中,“天问一号”在 9 分钟内将约 2 万千米/小时的速度降至到 0 米/时。

据航天五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯介绍,“天问一号”在进入火星大气层以后首先借助火星大气,进行气动减速,这个过程需要克服高温和姿态偏差, 气动减速完成后,“天问一号”的下降速度也减掉了90%左右。紧接着“天问一号”打开降落伞,进行伞系减速降速,当速度降至 100米/秒时,“天问一号”通过反推发动机进行减速, 由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星地表 100米时,“天问一号”进入悬停阶段,着陆巡视器在缓冲机构的保护下,抵达火星表面。

图片来源:中国航天报

“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。”王闯介绍说。

“天问一号”采用一顶主降落伞、一次性充气展开减速的方案。“天问一号”着陆巡视器进入火星大气后在自身的气动外形下减速,降落伞打开后又将其进一步减速到约95米/秒,之后着陆巡视器进入悬停避障段。

由航天科技集团五院508所研制的“天问一号”降落伞,首次采用锯齿形盘缝带伞,匹配国内最大的航天器火工装置弹伞筒,创新了伞绳插接工艺,深化了降落伞充气过程及物伞系统动力学仿真,基于我国的条件开展了降落伞高空开伞试验、直升机投放强度试验等充分的试验验证。

针对火星降落伞的特殊开伞条件,在伞的设计研制中,508所在从伞型的选择、设计参数的选取、材料的选用、局部结构的改进等方面,都采取了相应的特殊性措施。充分借鉴以往探空火箭相同伞型的经验,以及国外火星探测降落伞的成果,对盘缝带伞的设计参数进行了优化,首次使用了一些新研的特纺材料,并在伞绳连接等环节首次使用了插接工艺,相比缝纫工艺连接强度显著改善。

“此外,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。”王闯说。

“天问一号”的五大使命

成功着陆后,“绕”“着”“巡” 的串联任务终于进行到最后一步。

着陆后,进入舱将着陆信息通过环绕器转发地面。进入舱和火星先后完成坡道及太阳翼天线展开,火星车将在第一时间将成功展开的消息传回地面。一切准备就绪后,火星车将自主驶离进入舱,抵达火面,开始新的征程。

图片来源:中国航天报

探测火星不仅是工程任务的突破,更是行星科学领域的突破。

除了常规的通讯、能量来源(太阳能帆板)、支撑结构、动力系统等部分,“天问一号”整体上携带了13 种科学载荷,其中 7 个在火星上空的环绕器上,分别是中分辨率相机、 高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子 与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。6 台分布在火星车上,分别是多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机。

它们共有五大使命,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将给中国带来火星的第一手资料。其中,与气象有关的研 究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据,并研究火星的磁场和重力场,这些也将解答大众的好奇——火星究竟是什么样的气候。

来源:科技日报

编辑:王宇

审核:王小龙

终审:何屹


 
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