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恐怖的7分钟里毅力号如何着陆火星?火星软着陆方式有哪些?

来源:澎湃新闻2021-02-20 09:18

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  北京时间2月19日凌晨4时55分,美国“毅力”号火星车经过6个多月的飞行,成功着陆在火星表面的耶泽罗陨石坑,正式开启探测之旅。

  作为NASA耗资27亿美元的“火星2020”任务的绝对主角,“毅力”号是如何着陆火星的?火星探测器在火星软着陆的方式主要有哪些?

  美国“毅力”号火星车在火星着陆的过程示意图。 本文图片均由新华社发(美国航天局供图)

  “空中起重机”式着陆

  “毅力”号是NASA第5辆火星车,也是NASA第9次着陆火星。作为NASA耗资27亿美元的“火星2020”任务的绝对主角,“毅力”号的着陆火星方式和2012年的“好奇”号火星车相同,都采用了“空中起重机”。

  从地球到火星,“毅力”号需要飞行203天、4 .72亿公里。当抵达火星大气层顶部,“火星2020”任务开始执行进入、下降与着陆阶段(EDL)的任务,此时航天器的飞行速度达到每小时19500公里。“毅力”号进入火星大气后,与大气摩擦达到约1300摄氏度的温度峰值。

  在EDL期间,“距离触发”技术计算航天器与着陆目标的距离,根据导航位置自动更新降落伞的合理打开时间,以此形成更小、更精确的目标着陆区域。NASA表示,采用新技术后,“毅力”号的着陆区域比2012年的“好奇”号火星车小了10倍,比1997年第一辆火星车“旅居者”号小了近300倍。

  航天器进入火星大气约240秒后,直径21.5米的降落伞打开,此时距离火星表面高度约11公里,速度约每小时1512公里。

  降落伞展开20秒后抛离隔热罩,雷达和摄像机为另一种新的着陆技术地形相对导航提供信息。地形相对导航技术是一种自动驾驶仪,它能够快速判断航天器在火星表面的位置并选择最佳的安全着陆目标。

  距离火星表面2.1公里时启动火星车与降落伞及后壳分离,随后开启8台火星着陆发动机,帮助航天器飞到安全着陆点,并减缓降落速度。

  距离相对地形导航指定的着陆区域上方20米时,空中起重机启动,依靠尼龙绳索将火星车降落。当探测到火星车已经着陆在耶泽罗陨石坑便切断绳索。

  美国“毅力”号火星车在火星着陆的过程示意图。

  EDL在大约7分钟后结束,着陆火星的这段时间也被称为“恐怖的7分钟”。NASA表示,这不仅仅是因为EDL阶段任务本就复杂,而且由于地球和火星距离太远,通信时延长,这要求航天器必须有很强的自主能力。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍,“恐怖的7分钟”有四个过程,包括气动减速、伞降减速、动力减速、着陆缓冲。“整个过程不能遥控,完全是自主控制,上百个程序一条都不能错。”

  “如果关机提前1秒,硬着陆就摔坏了。”庞之浩介绍,例如原定1999年12月在火星着陆的美国“火星极区着陆器”就因发动机提前关机而下落不明。它在即将登陆火星表面时,由于软件错误导致其起减速作用的火箭发动机过早关闭,最终撞毁。

  美国“毅力”号火星车在火星着陆的过程示意图。

  火星软着陆,还可以弹跳

  “好奇”号火星车和“毅力”号火星车采用的降落伞+缓冲发动机反推+空中起重机的着陆方式,可满足重量更大的探测器软着陆要求,能精确着陆。

  “这种着陆方式最为复杂,成本最高,技术最先进。”除了空中吊机式,庞之浩对澎湃新闻(www.thepaper.cn)表示,目前,探测器在火星软着陆的方式主要还有另外两种,每种方案都各有优缺点。

  一是采用气囊弹跳式。由于探测器是被气囊包裹住的,所以刚着陆时会被弹起10层楼高,经过多次弹跳,逐渐降低弹跳高度,最后在火星表面着陆。此后气囊放气,探测器的护壳像花瓣一样绽开,接着探测器慢慢爬出来。

  美国“火星探路者”、“勇气”号和“机遇”号火星车都采用了降落伞+气囊弹跳方式着陆。这种着陆方式简单、成本低,但只能满足重量小的火星探测器软着陆要求,且着陆精度不高。

  二是反推着陆腿式。美国的“海盗”号、“凤凰”号和“洞察”号都采用了降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式着陆,着陆腿在着陆时也起到一定的缓冲作用。这种着陆方式相对复杂、成本高,可满足重量较大的探测器在火星软着陆要求,着陆精度较高。

  庞之浩介绍,我国的天问一号也是采用此种制动反推方式,除了降落伞以外主要依靠缓冲发动机反推着陆。

  天问一号探测器整个着陆过程在9分钟左右。探测器要在9分钟的时间里将速度从约每秒4.9公里降到0。而完成这一任务的第一步,就要借助火星稠密的大气。

  气动减速时,探测器要面临高温以及气动带来的姿态偏差。一旦利用自身气动外形和防热结构扛过了气动减速第一关,天问一号探测器速度就将减少90%左右。接下来需要立刻打开减速伞,直到速度降至每秒不到一百米时探测器携带的变推力发动机会准时开机,进入动力下降段。

  到达距火面100米时进入悬停阶段,探测器的微波测距测速敏感器对“地”测量,光学相机等对“地”成像。探测器可能还会在100米高度进行平移,选择更安全的着陆区进行着陆。当自主确定着陆区域后,着陆巡视器会在缓冲机构和气囊的保护下抵达火星表面。

  2月18日“毅力”号火星车拍摄的火星照片。

  探寻火星生命的迹象

  1997年,NASA第一辆略显寒酸的火星车“旅居者”号展示红色星球上可以开车。

  2004年登陆的“勇气”号和“机遇”号找到了火星曾经有过流动水证据。

  2012年登陆火星盖尔陨石坑的“好奇”号发现,它所处的环境数十亿年前是个湖泊,可能支持过微生物存活。

  而“毅力”号志在回答天体生物学的关键问题:有无迹象表明火星上存在过生命?

  “毅力”号火星车着陆地位于火星赤道以北的耶泽罗陨石坑,这是个45公里宽的撞击盆地,有古河流三角洲、悬崖、沙丘和较小的撞击坑等。

  在为期一个火星年(约687个地球日)的任务中,“毅力”号将寻找古代微生物生命的迹象,探索火星的气候和地质特征,收集火星岩石和风化层样本。它是第一台为战利品准备了返程票的火星车,会把有可能是生命迹象的岩石和沉积物样本打包起来,留待后续火星项目送回地球,毕竟地球上有更大、更复杂的分析仪器。

  “毅力”号携带多台仪器。MEDLI2传感器套件在进入火星大气期间收集火星大气数据,地形相对导航系统在最后降落期间自动引导航天器,这两方的数据将有望帮助人类未来在其他星球上更安全、携带更大有效载荷着陆。

  Mastcam-Z是一对可变焦的科学相机,具有全景和立体成像能力,可以创建火星景观的高分辨率、彩色3D全景。SuperCam使用脉冲激光研究岩石和沉积物的化学成分,并可以利用其自带的麦克风,帮助科学家更好了解岩石硬度等性质。

  能提供精细成像并使用紫外激光绘制矿物和有机化合物图谱的光谱仪SHERLOC将和行星X射线岩石化学仪器PIXL一起工作,收集火星地质特写数据。PIXL将使用X射线束和一系列传感器研究岩石的元素组成。

  火星地下实验雷达成像仪RIMFAX是具备地下地质结构厘米级分辨率的探地雷达,将用来确定火星表面的不同层是如何随着时间的推移形成的,这些数据为未来探测地下水冰沉积的传感器奠定基础。

  MOXIE技术是一项从火星大气二氧化碳中生成氧气的技术演示。火星环境动态分析仪MEDA将提供当今火星天气、气候和灰尘的关键信息。附在“毅力”号“腹部”的“机智”号火星直升机将尝试在火星上进行第一次动力控制飞行。

  NASA表示,项目工程师和科学家们将在接下来的一两个月里测试每一个仪器、子系统和子程序,只有到那时才会将直升机部署到火星表面试飞。如果一切顺利,“机智”号可以为探索这颗红色星球增加一个空中维度,这样的直升机也可以作为侦察机,或者为未来宇航员离开基地时提供运输服务。(张静)

[ 责编:张梦凡 ]
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