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天问一号

“天问一号”登陆火星表面,将会面临哪些挑战?

“天问一号”后续至少还要闯两关,方能圆满实现探测目标。

第三方认证作者

颛顼

发布于 4月7日

本文来自微信公众号“赛先生”(mrscience100),作者:庞之浩(全国空间探测技术首席科学传播专家),责编:叶水送


2021年3月16日,“天问一号”拍摄的火星南半球影像
2021年3月16日,“天问一号”拍摄的火星南半球影像

导读

“天问一号”成功进入火星轨道后,已成功实施了四次变轨,目前天问一号仍在火星轨道上获取火星大气和降落地点等数据接下来我们将迎接它的下一个任务:登陆火星表面,预计“天问一号”着陆巡视器于5、6月份着陆火星表面。

此前,国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰表示,“天问一号”后续至少还要闯两关,方能圆满实现探测目标。其一,当探测器完成环绕任务后需要寻找一个非常好的小窗口,让它进入到火星大气;其二,软着陆在火星表面还不算做完工作,因为我们还要把火星车释放到火星表面上,让它走起来并开展探测,火星车上有6台科学仪器要发挥作用,难度也很大,因为我们对火星表面的环境认知还是相当少的。

本文作者庞之浩亦对“天问一号”现阶段取得的突破,以及即将面临的挑战逐一分析。

“天问一号”取得的四个突破

2月10日,“天问一号”顺利进入火星轨道。据航天八院介绍,总的来说,“天问一号”的环绕器主要取得了以下四个突破。

01 精准捕获

“天问一号”抵达火星附近时,相对于火星的速度约为4~5千米/秒,因此,环绕器在接近火星后要抓住唯一的机会制动减速,实现对火星的捕获。捕获时探测器距离火星最近仅400千米,稍有偏差就会撞击火星或飞离。由于单向通信时延达到了约11分钟,所以只能依靠探测器自主执行捕获。

图片来自航天八院
图片来自航天八院

捕获过程中,“天问一号”的环绕器要准确地进行点火制动,即“踩刹车”。“踩刹车”的时机确定依赖于精确的轨道预报和精准的器地校时,“踩刹车”的时长取决于发动机和控制系统工作的可靠性。

为了精确把控发动机的开关时机,环绕器在近火捕获前需要由地面对其进行精确的无线电测定轨,再结合从环绕器上光学自主导航仪器中获得的导航信息,得到环绕器的精确位置。在制动过程中,依靠可靠的系统硬件配置和捕获策略设计,可确保探测器处于“捕获走廊”直至进入环火捕获轨道。

天问一号轨道示意图(来源:网络)
天问一号轨道示意图(来源:网络)

02 信号接收

环绕器距离地面最远达到了4亿公里,到达接收端的信号极其微弱,时间延迟是月球探测器的1000倍,信号衰减是月球探测器的100万倍。为此,研制团队研制了以超高灵敏度的数字化应答机和大口径可两维驱动天线为核心的X频段测控数传一体化测控系统。

超高灵敏度的应答机可让环绕器能够在嘈杂的噪声中准确捕捉到一丝微弱的有用信号,正确解析并执行地面的指令。

大口径可两维驱动天线让环绕器通过精准的两维指向控制,将天线实时对准数亿公里外的地球,尽可能多的收集信号能量,并传递给应答机。同时,大口径天线也有“聚音成束”的功能,将环绕器在火星看到的、感知到的信息,亿万里传音到地球。

环绕器将为火星车提供中继通信服务示意图(来源:网络)
环绕器将为火星车提供中继通信服务示意图(来源:网络)

03 自主管理

由于火星环绕器距离地球,通信延时大,探测器与地面站通信还存在独特的“日凌”现象,为此研制了高度集成的小型化综合电子系统,实现了器务管理、遥测遥控、热控管理、配电管理、推进控制、机构驱动、数据存储功能的一体化,为综合信息自主管理奠定了硬件基础。通过设计多系统多模式器上信息综合自主处理的方法,保证了一级故障任务正常执行,二级故障整器安全。通过关键技术攻关,实现了环绕器在轨自主运行大于30天的能力。

04 光学导航

除了地面无线电导航支持外,环绕器还配备了光学导航敏感器和红外导航敏感器,因而具备了自主定位的能力。

在火星捕获制动阶段,由于远离地面的距离遥远,所以环绕器要结合器上自主导航手段,快速提供高精度轨道数据。光学导航敏感器采用恒星姿态识别+硬脉冲校时确保时空对准,通过亚像素级图像处理获取火星轮廓并解算出自身位置。此外,环绕器还配备了红外导航敏感器,采用可见光谱段和长波红外谱段复合探测方式,通过对火星凝视成像,检测火星图像边缘,辅助环绕器完成轨道测量。两台导航敏感器实现了环绕器不同阶段的精确位置自主确定,即使没有外部导航信息,火星环绕器也能够在遥远深空中自主找到前进的道路。

中国行星探测工程图形标识。展示了独特字母“C”的形象,汇聚了中国行星探测(China)、国际合作精神(Cooperation)、深空探测进入太空的能力(C3)等多重含义,展现出中国航天开放合作的理念与态度(来源:国家航天局)

未来面临的挑战一——着陆

在完成火星探测任务中,最关键的一个环节就是着陆巡视器在火星着陆。这是由于火星距离地球遥远,测控信号十分微弱,且延时达10分钟以上,所以必须提前给着陆巡视器注入数据,使它完全自主精确地闯过气动减速、降落减速、制动减速、着陆减速等一系列难关,任何步骤都不能有一点失误。其难度被形容为相当于从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个洞里;其着陆过程也被称为“恐怖的7分钟”,目前全球火星探测器着陆的成功率不到50%。

所以,安全着陆是火星探测任务最艰巨的挑战之一。为此,2019年11月14日,我国在位于河北怀来亚洲最大的地外天体着陆综合试验场,成功模拟了着陆器在火星重力环境下(火星重力加速度约为地球的1/3)悬停、避障、缓速下降的过程,对其设计正确性进行了综合验证,也为火星探测任务的如期实施奠定了坚实的基础。

在地外天体着陆综合试验场进行试验(来源:网络)
在地外天体着陆综合试验场进行试验(来源:网络)

据火星车专家贾阳介绍,探测器首先瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊,角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈,角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。

经过大量研究和实践,目前探测器在火星软着陆方式主要有三种,每种方案都各有优缺点。

一种是气囊弹跳式。这种方式比较简单,成本低,但只能满足重量小的火星探测器着陆要求,且着陆精度不高。美国“火星探路者”、勇气号和机遇号火星车都采用这种方式,即降落伞+气囊弹跳方式着陆。由于探测器是被气囊包裹住,所以刚着陆时会被弹起10层楼高,然后经过多次弹跳,逐渐降低弹跳高度,最后在火星表面着陆。

另一种是反推着陆腿式。这种着陆方式复杂一些,成本高,但可满足重量较大的探测器在火星软着陆要求,且着陆精度较高。美国的“海盗号”、“凤凰号”和“洞察号“以及我国的”天问一号“都采用都采用这种方式,即降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式着陆,着陆腿在着陆时能起到一定缓冲作用。

第三种是空中吊车式。这种着陆方式最为复杂,成本最高,技术最先进,可满足重量更大的探测器软着陆要求,能精确着陆。美国携带好奇号火星车的“火星科学实验室”探测器和今年携带毅力号火星车的火星-2020探测器都采用这种方式,即降落伞+缓冲发动机反推+空中吊车方式着陆。

据航天科技集团包为民院士介绍,我国“天问一号”中的着陆巡视器将在2021年5月采用反推着陆腿式在火星表面,具体着陆过程分以下4个阶段。

(1)先是气动减速段,靠火星大气的阻力,用约290秒把速度从4.8千米/秒减速到460米/秒。由此可见,气动减速段是最主要的减速阶段。

(2)然后实施伞降减速段,探测器打开降落伞,用约90秒把速度由460米/秒降到95米/秒。在这1分钟多的时间里,要关注火星大气层中风的速度和方向,风太大会影响着陆点的精度,甚至影响着陆安全。

(3)接着进入到动力减速段,探测器要把大底和背罩抛掉,露出了着陆平台和火星车。平台上的大推力发动机开始工作,进一步减速,用80秒把速度减小到3.6米/秒。

(4)最后是着陆缓冲段,在高度降为100米的时候速度基本上降到0,进行悬停避障,观察地面,寻找最安全的着陆地点,最后通过4个着陆腿的缓冲作用在火星表面软着陆。

整个过程短暂又复杂,地面没有干预的机会,完全靠探测器自主决定各个动作执行的时机。

我国火星车模型(来源:网络)
我国火星车模型(来源:网络)

未来面临的挑战二——地点选择

虽然火星比地球小,但是要在其约一亿四千万平方公里的火星表面,为火星探测器选择一个合适的着陆点,并不是一件容易的事情,它必须满足两个最基本的条件:

一是在工程上可实施。比如,着陆地点要相对开阔平坦,那里的地形不应该过于崎岖不平,以便在探测器着陆时不受到损坏,着陆安全是第一位的,如果不安全,其它方面将不予考虑;另外还要能与地球进行测控通信,光照比较充足等。

二是在科研上有价值,是研究人员十分感兴趣的地方。比如,着陆地点的地质构造、物质元素比较丰富,其他国家没有探测过,因为空间探测的成果,只有世界第一,没有国内第一。所以,选择火星着陆地点需要航天工程师与行星科学家相互配合共同完成。

在选择火星着陆地点前,一般首先要通过火星轨道器拍摄大量的火星表面照片,然后通过综合分析,初步选出符合工程要求的几个预选地点。然后再根据科学的要求反复研究和比较分析,最终选出符合探测任务要求的着陆地点。

火星探测器着陆地点(来源:网络)
火星探测器着陆地点(来源:网络)

在选择火星着陆地点时,为了确保在工程上可以实施,需要考虑多种因素。例如,在探测器登陆火星的过程中,99%以上的减速是利用火星大气对探测器产生的阻力,但是,因为火星大气太稀薄,为了使探测器能更好地利用火星大气的阻力来减速,所以着陆地点的海拔越低越好,这样可以延长减速时间,使探测器着陆更加安全。

另外,由于火星北半球地形相对平坦,而南半球陨石坑以及山脉和峡谷比较多,所以火星探测器都在火星北半球或靠近火星赤道附近着陆的较多。选择岩石较为稀少的地方作为着陆地点,不仅着陆时安全,而且火星车在进行巡视探测时阻碍也比较少。

着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测(来源:网络)
着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测(来源:网络)

因为目前大多数火星探测器都采用太阳能电池供电,它们所携带的用于导航和检测障碍的光敏感器也需要较好的光照条件。为此,探测器一般着陆在纬度小于30°的火星低纬度地区,因为这一区域阳光比较充足,昼夜温差也比较小,有利于探测器的工作。我国火星着陆区在火星北纬5°~30°的乌托邦平原,符合这些要求。据地质学家认为那里可能是一个古海洋和古陆地交界处,所以有很高的科学价值,有望取得意想不到的科学成果。

参考文献 

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[2]李春来,刘建军,耿言,曹晋滨,张铁龙,方广有,杨建峰,舒嵘,邹永廖,林杨挺,欧阳自远. 深空探测学报, 2018(10).

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[4]南山,百超,旺军. 设计一辆漂亮的火星车. 国际太空, 2020(7).

[5]彭松,尺清,郑旸. 火星车自主功能方案设计. 国际太空, 2020(7).

[6]郑旸,吉龙,褚永辉,刘国强. 火星车的研制试验. 国际太空, 2020(7).

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[8]尺清,艳超,旺军. 克克计较: 火星车集热窗的设计优化. 国际太空, 2020(7).

[9]谷宇,牛俊坡. 四大突破! 我国首次自主火星探测技术创新一手掌握. 上海航天公众微信号, 2020-07-24.

[10]庞之浩, 高开源. 2020年世界火星探测概览国际.

制版编辑 | Morgan

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颛顼
第三方认证作者

这家伙很懒,什么也没留下,却只想留下你!

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