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天问一号成功着陆:火星 中国来了!
2021-05-17 央视资讯客户端

  天问一号奔火这一路

  遂古之初,谁传道之?

  上下未形,何由考之?

  冥昭瞢闇,谁能极之?

  天问一号的成功发射,标志着中国人也正式踏上行星探测的征程。

  为了让天问一号顺利抵达火星并成功着陆,都要克服哪些问题?

  相比抵达月球,抵达火星非常不易。火星公转周期687天,几乎是地球的1.9倍,地火距离因此不稳定,最远达4亿公里,最近也高达5400万公里,是相对稳定的地月距离的140多倍。

  距离遥远多变,飞行距离长,想把探测器送到火星非常困难。

  1925年,德国工程师瓦尔特-霍曼在书中提出了著名的霍曼转移轨道。简单说,就是以大于第二宇宙速度的速度将探测器顺着地球公转方向发射。根据开普勒第一定律,摆脱地球引力的探测器随后会以太阳为近焦点做椭圆轨道运动。

  当发射速度够大,轨道远端就能与火星轨道相切。探测器在地球处于霍曼转移轨道的近日点时发射,进入“地火转移轨道”后,靠惯性飞行,然后在火星处于霍曼转移轨道的远日点时抵达。这就是目前从地球去火星最常见、省能量的方案。

  为了更好利用地球自转速度,使航天器获得足够速度,天问一号选择从纬度更低的文昌航天发射场发射,在长征五号遥四运载火箭强大运载能力帮助下,2000多秒就能进入地火转移轨道。

  但是,因为地火公转周期差,这种探测发射窗口期每26个月才出现一次,十分宝贵。这也是为什么美国和阿联酋也赶在去年7月发射了各自的探测器。

  当然,刚刚是简化各种因素后的运算。为了与火星精准相遇,天问一号途中进行了四次轨道微调和一次大的轨道调整。在飞行4.75亿公里,实际用时202天后,终于在2021年2月10日实施近火捕获制动,成功降速进入火星轨道。监测相机也记录下这珍贵时刻。

  随后,天问一号通过远火点平面机动,将轨道从环火星赤道转为环南北极,并在两次近火制动调整后,于2月24日进入火星停泊轨道。从高分辨率相机拍摄的清晰画面中,你能清楚看见火星表面环形坑、山脉等地貌特征。

  随后三个月,探测器不断对火星地貌、气候和预着陆区的情况进行观测。待时机成熟,登陆火星。

  登陆火星为何这么难?

  相比50多年前载人登月,在过去60年间的近50次火星探索任务中,也仅有9个登陆器或火星车成功登陆。为什么会这么难?

  主要问题就是减速。

  根据以往数据,登陆器进入火星大气速度非常快,一般在16200~20000km/h。天问一号的进入速度估计约为17600km/h。

  虽然火星大气的存在使登陆器能像卫星返回地球一样,利用大气摩擦做气动减速和降落伞减速。但火星大气的压力和密度只有地球的1%左右,十分稀薄,无法像地球大气一样提供足够的空气阻力。

  所以,还需增加登月时常用的反推发动机动力减速和降落前的着陆缓冲,才能实现最终的软着陆。

  而届时地火距离超3亿公里,通信时延超17分钟,远超着陆时间,一切情况只能靠登陆器自主判断,风险极大。任何环节稍有差错都会使登陆器因降速不足而坠毁。

  同时,火星大气不稳定,尘暴较地球严重,影响着陆时参数的获取和确定。更不用提降落范围内,砂石遍布、崎岖不平的地表对最终着陆造成的挑战。

  当然,火星复杂的环境对着陆点选择也提出了很高要求。这是基于火星全球探勘者号数据绘制的火星地形图,从深蓝到红到白代表海拔的递增。

  为了延长登陆器在大气通过的行程,使减速时间更长,首先就要选择海拔较低、地势较平坦的地区。

  其次,由于火星气温很低,平均在零下60摄氏度左右,最低可达零下140摄氏度,且温度随赤道向两极递减。所以为使设备获得足够温度和能源,通常选择南北纬30度以内,温度较高、日照较充足的地区。

  同时,由于火星地表大面积覆盖松散的灰尘,有时可达4~5米。大家还需结合这样的热惯量图和热反照率图,寻找热惯量值较高,反照率较低,也就是灰尘较少,承重能力更强,利于登陆和行动的地区。

  其实,参与任务的工程师在每次火星登陆任务发射前四五年,都会制定这样的着陆区工程限制条件表圈定范围。行星科学家们随后再根据科考目标,逐步缩小范围。

  比如毅力号选择的杰泽罗陨石坑,就因地处古湖泊入口处,富含三角洲、流水地貌、沉积矿物和火山熔岩,从30多个地点中脱颖而出,成为最终选择。所以,在结合工程限制条件和科考目的后,天问一号最终选择了地势平坦、可能曾是海洋的乌托邦平原登陆。

  2021年5月15日7时18分,天问一号成功在乌托邦平原南部着陆,完成“落”的目标,正式点燃中国人行星探测的火种。

  天何所沓?十二焉分?

  日月安属?列星安陈?

  两千多年前中国古人对苍茫宇宙的连连发问,正不断通过今天中国航天人的努力被带向深空。

  而天问一号,才只是中国人面向行星探测发出的第一问。

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