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科技報導

火星探测步步惊心,不是探月的简单“复制”和“粘贴”



8月2日7时0分,我国首次火星探测任务天问一号探测器3000N发动机工作20秒钟,顺利完成第一次轨道中途修正。截至第一次轨道修正前,天问一号探测器已在太空中飞行约230个小时,距地球约300万公里,离到达火星也更近了一步。

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天问一号探测器离轨着陆示意图

天问一号探测器3000N发动机工作示意图

天问一号探测器3000N发动机工作示意图

众所周知,我国已经成功进行了4次月球探测,也成功地在月面着陆,并利用玉兔号月球车进行了巡视探测。那么,火星探测是否只是月球探测的简单翻版?两者又有些什么区别?

探火远比探月更难

实际上,探火和探月的区别非常大。从统计数字来看,人类对月球探测的成功率约为76%,而对火星探测的成功率仅为50%多,显然,火星探测更为凶险、难测……

从距离上来说,月球绕地球公转,离地球时近时远,最近时约36万公里,最远时约40万公里,平均距离约为384400公里。而火星以椭圆轨道绕太阳飞行,它与地球的最近距离约为5500万公里,最远距离则超过4亿公里。相比月球探测,执行火星探测需要面对地火最远距离约为地月距离1000倍的事实,需要解决的问题更多。

另外,发射窗口也大不相同。大约每隔26个月就会发生一次火星冲日,这时航天器从地球出发到达火星所需要的能量最少,也就成为了最佳的火星发射窗口,否则就需要再等两年。而月球探测的窗口选择就要宽松得多,大约每个月就有一次。

深空探测器一般分为轨道器、着陆器、巡视器。轨道器主要负责执行从与运载火箭分离后到环绕探测星球这一段的任务,完成深空飞行保障、轨道机动、对目标进行遥感等操作。着陆器则负责执行从与轨道器分离后到软着陆于星球表面这一段的任务,完成着陆防护、着陆减速等操作。巡视器主要负责执行从与着陆器分离后在星球表面探测这一段的任务,用来完成星球表面行走、原位探测等操作。

嫦娥四号探测器首访月之暗面路径图

嫦娥四号探测器首访月之暗面路径图

进入奔火轨道之后,火星探测器将以第二宇宙速度在这条高速路上全速前进约7个月,其间预计执行4次中途修正。而月球探测器一般仅需沿着奔月轨道飞行5天即可进入环月轨道,其间最多只需要3次中途修正。

火星轨道器面临的最大问题是通信距离遥远,以及由此带来通信时间延长和传输速率降低的问题。地火之间的通信单程时延最长约为23分钟,而地月之间的通信单程时延仅为1秒左右。

换而言之,对于火星探测器来说,地面上发送一个控制指令上去,到接收到轨道器的反馈,将近1个小时的时间就过去了,这对于轨道器在近火点的点火机动尤为致命。这就要求轨道器的设计更为可靠、更为智能。另外,由于距离远所引起的信号衰减更严重,探测数据的传输速率严重受限,测控及数传码率将低于月球探测1~2个量级以上。

由于月球的自转和公转周期一样,都是1个月,所以在地球上只能看见月球的一面,背向地球的一面永远看不见。这样一来,着陆于月球正面的探测器就可以不受任何限制地与地球进行通信,无需中继通信支持。

而火星自转周期为24小时37分,几乎和地球上的一样长。火星公转1周约为687天,约等于地球的两年。探测器同时受地球、火星、探测器相对运动和地面测控站分布的影响,测控通信难以全空间覆盖,通信窗口极为有限。由此可见,火星探测轨道器还必须担负起火星表面与地球之间的通信中继任务。

着陆方式有差别

着陆器负责克服目标星球引力加速所带来的影响,承载着陆探测载荷,以可承受的撞击速度降落于星球表面。这里面影响最大的就是星球表面的大气。

嫦娥四号探测器着陆在月球背面

嫦娥四号探测器着陆在月球背面

月球没有大气,着陆器只能靠发动机反推来减小下降速度,有人称落月探测器着陆过程为“黑色700秒”。

而火星有大气,密度大约只有地球的1%。尽管如此稀薄,但给火星着陆器带来巨大的麻烦,使得在火星上着陆更不容易,要经历“恐怖9分钟”。过去的人类火星探测任务中,共有17次尝试着陆火星,只有8次成功,成功率47.1%。

天问一号探测器着陆火星示意图

天问一号探测器着陆火星示意图

月球没有空气,苏联月球车1号、2号,美国阿波罗登月飞船和我国嫦娥3号、4号探测器等,都采用了缓冲发动机反推+着陆腿的方式。而火星上有空气,在火星上着陆时就需要对高速再入大气产生的摩擦热流进行防护。着陆器要装备类似于神舟飞船的热防护外壳。在速度降低到一定程度时,还需要抛掉防热大底,展开降落伞减速降落。

火星着陆器的软着陆方式主要有3种:一是气囊弹跳式,二是着陆腿式,三是空中吊车式,每种方案都各有优缺点。

气囊式比较简单,成本也低,但只能满足重量小的探测器软着陆的要求;空中吊车式反之;着陆腿式介于它们两者之间。

美国“海盗号”“凤凰号”“洞察号”等火星着陆器都采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿的方式。美国“火星探路者”“火星漫游者”采用降落伞+气囊弹跳的方式;美国“火星科学实验室”采用降落伞+缓冲发动机反推+空中吊车的方式。

我国此次发射的火星着陆器将采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿的方式。具体来说,那就是经过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机减速,展开着陆腿,缓冲着陆到火星表面。

巡视器差异大

即使实现安全着陆,在星球表面行走的巡视器也需要随时面临巨大的挑战。

玉兔二号月球车

玉兔二号月球车

月球上没有大气,所以没有风雨变幻,无法靠对流的方式来传递热量。月球白天和夜晚的温差高达310摄氏度。月球白天最高温度可达130摄氏度,晚上温度会下降到零下180摄氏度左右,且月球的白天和夜晚各自长达13.5天。这就使得月球巡视器在热控方面需要特别的设计,尤其要考虑它如何度过漫长而寒冷的月夜。为此我国的玉兔号月球车身披“黄金甲”,科研人员还专门为其装备了核电池这个“暖宝宝”。

而火星上有大气,温度差别没那么大。但大气运动引起的巨大沙尘暴可是火星独有的现象,几乎在每个火星年里都要发生一次,最大可达地球12级台风的好几倍,而且一旦刮起来可持续3个多月。

天问一号探测器携带的火星车

天问一号探测器携带的火星车

火星距离太阳更远,同样面积下,太阳光的能量只有月球表面的40%,因此火星巡视器为了接收更多的太阳光,太阳能电池板“翅膀”将变得更大,而且其方向还要不断调整,努力对着太阳的方向。在尘暴发生时,火星巡视器受到沙尘的遮盖,接收到的太阳光能量更是急剧下降,这就必须为火星巡视器设计一个“休眠”模式,耐心等待尘暴过去。

另外,火星表面的重力只有地球的38%,而月球表面的重力约为地球的1/6,相比来说大多了,因此火星巡视器的支撑结构也必须设计得更强壮才行,火星巡视器移动也需要更大的功率来驱动。