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来自火星的旅拍:祝融号传导回家后 我国火星探索圆满成功

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发表于 2021-6-11 17:53:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
编辑:这篇文章来自微信公众号《智慧之物》,作者:李秀清,编辑:深渊,





为了这次火星“旅拍”,上天问了1号勇猛,攻破了3关!背后还有16年的嫦娥工程触底。

智东西6月11日传来了“千户万户即将开始”的消息!刚刚宣布我国“祝融号”探测机器人终于返回了第一个火星视频!

据NASA透露,勘探机器人拍摄的第一段视频包括着陆地点全景、火星地形地和着陆平台一起拍摄的照片等,是我国首个火星探测任务取得圆满成功的信号!(威廉莎士比亚,《北方执行报》)。





着陆地点全景,照片:“祝融号”火星车

在祝融号返回的照片中,在无边无际的土色世界里,石子土蛋呈现出了些许荒凉。请给我一张祝融号自拍。你看起来有点孤独祝融号将巡航90天,主要任务是在人类“探花”过程中,永英的主题3354探测生命和勘探水源。

200多天的宇宙飞行,3个月来绕火星运行,我国天文1号火星探测器终于降落在2.12亿公里外的火星上,分离出祝融号探测机器人巡航,并在20天内返回了第一张科学影像图。这标志着我国成为世界上第一个一次性完成“探花”迂回、着陆、巡航任务的国家!

自19世纪60年代以来,人类努力启动“探花”工程,但在此之前只有美国完成了火星巡航任务。随着火星从2020年中旬开始进入新的窗户期,火星在离地球最近的时期抓住了发射火星探测器的机会,包括美国、阿联酋和我国。其中,美国“坚持号”2月降落在火星上,发回照片,阿联酋只是绕道而行,没有着陆。

据悉,祝融号距火星3天一步,约10米。但是祝融号的一小步可以说是中国航天事业和民族技术自信的一大步!

本文福利:近年来,我国多项主要航天工程顺利推进,航天事业发展进入稳定阶段。为了看崛起的中国航天飞机,我推荐20页的精品报告。在公众号聊天栏中回答关键词[智力192]获得。

01.火神“祝融”,来自火星的“旅拍”

这张照片是祝融号这次返回的第一张火星地形图。这幅画展示了火星的平坦表面,像地球上的戈壁沙漠一样,分布着不同大小的石头和沙丘。





火星地形图,照片:“祝融号”火星车

尽管一片凄凉,但祝融号没有忘记桅杆上的一张导航地形照相机“自拍”,从而拥有了以下着陆点全景:图像显示着陆地点附近的地形平坦,可以从远处看到火星地平线。新闻联播报道称,阵风度和大小与预想相符,表明着陆地的自主选择和防止悬停效果良好。





着陆地点全景,照片:“祝融号”火星车

祝融是上古神话中的化身,现在以祝融为名的探测机器人终于登上了以“火”为名的星球。“祝融号”高1.85米,重240公斤左右,总大小和一张桌子很近,有6个轮子。以四个太阳板为背景,祝融号就像一只纳普尔纳普尔蓝蝴蝶。5月21日经历软着陆后,祝融号慢慢离开着陆平台,登上火星南半球的乌托邦平原地带,开始巡视勘探,不忘给地球伙伴们返还“自拍”。





火星车出发平台(模拟动画)

祝融号不仅有自拍,下一张照片也是这次祝融号返回的“第三方”
视角影像。



上面这张图名为“着巡合影”的图像,是由分离相机为祝融号火星车和着陆平台的合影。为了拍这张照片,火星车跑到十米之外“放置”下相机,又退到着陆平台附近完成拍摄。而后,图像通过无线信号传送到火星车,再由火星车通过环绕器中继传回地面。

我们从天问一号祝融火星车的新浪微博日志可知,祝融号3天走一步,大概是10米左右的距离。这个速度可能比很多人想象地要慢,这主要因为受到能源、联网、火星复杂环境等约束。所以说,看似简单的“自拍”,对祝融号来说还是不小的挑战。天问一号祝融火星车在微博上称:“设计师们会考虑到我还是个宝宝,不适合在刚到达火星表面上,没有经历考核就大胆地往前走。”

我们再看回本次祝融号发回的“大片”——当火星车行驶到着陆平台东偏南60°方向约6米处,它又拍下了着陆平台影像图。只见图片右侧一个大大的“脚印”正是火星车留下的火星印迹,左侧国旗鲜红方正。祝融号的一小步,是中国宇宙航天事业迈进的一大步。



02.一次性完成火星探测三大任务,全球第二!
当下,随着祝融号巡航照片的传回,标志着我国成为全球首个一次性完成“探火”绕、落、巡任务的国家,成为在火星上进行软着陆的第三个国家,并成为部署火星车的第二个国家!

现在,加上祝融号,在火星1亿多平方公里的土地上,一共散布了五辆火星探测车。其他四辆均来自美国,分别是索杰纳号、勇气号、机遇号、好奇号、毅力号和伴随它的机智号直升机。



▲左:火星车们与未来登火的宇航员相比;右:目前着陆火星的火星车

自上个世纪中后期至今,人类火星探测主要有五种方式:

一是环绕器绕火星飞行,进行较远距离探测,对火星地表进行整体感知。天问一号轨道器就会绕火星运动,进行远距离探测;而在近年探火的印度和阿联酋,都仅仅是实现环绕火星飞行,而没有达到火星地表。



二是着陆器进行原地探测和实验。目前,世界上掌握火星软着陆的国家也不多。

三是巡视器在火星上运动,进行移动巡视,对火星进行局部感知和深度探测。目前,只有美国和我国掌握了这一技术。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动,但都只完成了环绕探测,而着陆探测均告失败。

第四和第五种是采样返回探测和载人登陆探测,当下还没有国家实现。一般大家会选择循序渐进的方式,一步步推进,先环绕探测,然后进行着陆探测、巡视探测。但我国本次祝融号本次将一次性“打卡”这三大火星探测任务,可以说是全球首次!

在为期90天的巡航中,祝融号本次之行的一大任务是探测火星上有没有生命赖以生存的水的存在。其搭载的次表层探测雷达可以分析土壤结构,可以对此进行探查。

同时,祝融号也关注火星与太阳系相互作用的而演变,据了解,火星曾经拥有和地球类似的磁场,但后来在太阳风的轰击下磁场消失,留下如今的荒凉面貌。祝融号将通过表面磁场探测仪和火星气象测量仪,探测这些问题。

此外,祝融号还携带地形相机、多光谱相机等合计6台仪器,比如地形相机就能为我们记录下火星的真实“写真”。

当下,全球参与“探火”的几个“移民”都只进行到了火星探测的前三步——环绕探测、着陆探测、巡视探测。本次祝融号完成90天巡航后,它不会有返回舱回到地球。不过,在我国的探火规划中,“天问工程”预计将在2030年将火星上的探测物带回地球。

03.“火星移民“后浪”,虽晚却猛
2020年7月至今成为一个火星探测小高峰,包括美国NASA、阿联酋及我国都发起探火项目。

这主要是由于火星的空窗期高达26个月,此时火星相聚地球最近达到5600万公里,发射探测器所需要的燃料更少,在网络传输上也更顺畅。据悉,抵达火星时,祝融号探测器距离地球约为1.92亿千米,实际飞行路程约4.75亿千米。

为了跨越这样的宇宙距离,人类经历了漫长的探索。

其实,人类从20世纪70年代就已经开始探索火星。1971年,俄罗斯“火星三号”就在火星上实现软着陆,然而不幸地是,它在着陆后20秒就失联,成为俄罗斯探火辛酸征程的开端,而后俄罗斯多次探火都没成功。

在1960~1970年代“苏美”太空站的氛围下,美国的火星探测也高歌猛进。1964年,美国“水手4号”掠过火星表面;1969年水手6号、7号传回200多张火星图片;而在1971年,水手9号首次实现火星环绕飞行,并传回7000多张火星地表的图片;1975年,美国海盗号又成为首个实现火星软着陆的火星探测器。



▲“水手9号”拍下的“奥林匹斯火山”

苏联解体前后,世界探火热度有过一阵消退。但是随着新世纪的到来,全球对于火星的探测热情又开始回升。

此前水手9号带回的火星照片让许多人心灰意冷,火星上竟如此荒凉。但在2014年,美国好奇号在火星上发现“甲烷”成分,又重燃大家猜想火星上存在生命的探索热情。而后,截至2018年,相关专业统计数据显示,全球已进行火星探测44次。

我国火星探测开始相对较晚,且起初较为曲折。2007年,随着嫦娥一号探月工程成功,我国也与俄罗斯开展探火合作——“萤火一号”探测器搭载俄罗斯的“福波斯-土壤”探测器发射。然而遗憾的是,“福波斯-土壤”还没有冲出地球轨道,它就由于变轨不成功在地球大气层提前坠毁。

“搭顺风车”的路走不通,2009年,有专家提议我国自主研发火星探测技术,已具备条件。2016年,我国探火项目立项,2018年正式启动。期间,印度的“曼加努安号”已经实现了火星环绕探测。

回头来看,我国如今探火项目的“一步到位”,离不开背后多年“隐忍不发”的谨慎考量和论证。

04.“探火”背后,十六年“嫦娥工程”打底
“探火”三大步一次到位,祝融号的成功离不开我国“嫦娥工程”探月项目的铺垫。

我国嫦娥工程启动于2004年,经历2004~2009年“环绕月球探测”一期工程、2010~2013年“月面软着陆和自动巡视勘察”二期工程和2014至今“无人采样返回”三期工程。2020年12月,嫦娥五号带回1731克月壤,我国终于无需再守着美国1978年赠予的1g月壤写论文,同时我国的外星探测技术自信也更上一层楼。



▲2020年12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品

2020年7月28日,奔向火星的天问一号传回和月球的首张“自拍合影照”。首次火星探测和首次月球采样返回也是我国在2020年的两大地外天体的重大探测活动。

月球探测的经验,在火星探测非常受用。因为方式基本相似,同样包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测五大步骤。目前,全球火星探测都只进行到前三步。

回头来看,我国的火星探测和月球探测之间相隔多年,同时又几乎无缝衔接,背后,“探火”又比“探月”难度要大的多。

从基本常识来看,作为行星,火星与卫星月球的天体运动规律不同,因此发射任务的轨道设计更加复杂;月球探测每个月都有机会,但火星最久需要等26个月;火星的距离要比到月球远得多,运载火箭必然需要更大的推力,飞行时间也更长、调试更多,不确定性也更大。

而聚焦到环绕探测、着陆探测、巡视探测三大步骤来看,火星探测可以说要勇闯三关,啃下三块硬骨头。

05.祝融号勇闯三关,难点解读
2020年7月23日,长征五号遥四运载火箭携天问一号在中国文昌航天发射场发射。飞行2177秒后,天问一号进入地火转移轨道,太阳翼展开,进行对日定向。

长征五号遥四运载火箭超越11.2千米/秒的第二宇宙速度,飞出了我国运载火箭的最快速度。

第二宇宙速度是一个物理术语,它是摆脱地球引力所需要达到的最低速度,也称地球逃逸速度,为11.2千米/秒。如果一个飞行器需要环绕地球飞行但并不摆脱地球引力,它只需要达到第一宇宙速度7.9千米/秒(也称地球环绕速度),比如探月就无需脱离地球引力;但如果飞行器要飞离地球引力,去太阳系的其他行星,比如去火星,它就需要达到第二宇宙速度。

可以看到,仅仅是在没到达火星之前,祝融号就已经比嫦娥五号要超越更大的极限。

冲出地球后,天问一号奔向火星。总的来说,天问一号探测器需要经历发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测六大阶段,背后都是对技术的超高标准。



为了实现环绕探测、着陆探测、巡视探测三大任务,祝融从飞离地球引力的那一刻起,就要经历众多的不确定性和“恐怖时刻”。

1、环绕任务:三十分钟被火星捕获,关键一脚的刹车

天问一号的第一关在于“环绕”。在此之前,天问一号需要精准降速,以被火星捕获。

在太阳系中,地球、火星都绕着太阳公转,天问一号从地球出发去往火星,需要边往前飞,边向外靠拢。等天问一号抵达火星轨道时,火星刚好公转到同一地方,探测器就要准备被火星引力吸引。



捕获过程是一个争分夺秒的速度战!

天问一号会在这个窗口期仅有30分钟的阶段,持续点火约15分钟,以使其从第二宇宙速度11.2千米/秒减速制动。更难的是,降速必须小于火星逃逸速度5.027千米/秒,同时必须达到环绕速度3.55千米/秒,以完成环绕任务。

要知道,这一切过程地球上的工程师无法实时掌控,只能提前设置并在时延近11分钟的通讯情况下得到反馈。

如果速度没降至5.027千米/秒,火星则无法吸住天问,探测器则会飞出天际;如果速度低于3.55千米/秒,探测器则会受火星引力影响,一头扎到火星上。

这关键的“一脚刹车”,直接关系到我国火星探测任务能否成功。

2、着陆任务:经历恐怖七分钟,技术难度高

天问一号的第二关在于“降落”,即离轨着陆段。在绕火星环绕了三个月后,此时天问一号的着陆器和祝融号火星车结合体将与环绕器分离,冲进火星大气。



▲天问一号探测器由环绕器、着陆器和火星车(巡视器)的结合体

其中的一大难点是何确保着陆器和巡视器安全减速,完好无损地着陆在火星表面,这一阶段被称为“恐怖九分钟”(或七分钟)。

为什么说“恐怖”?因为在从火星轨道进入火星地表,探测器需要将速度从4.8千米/秒降低到0千米/秒。由于火星上空气稀薄,空气阻力几乎只有地球的1%,因此在降落伞帮助下降速也极其困难。之所以说恐怖,是由于在这一过程稍有不慎,探测器就粉身碎骨了。

相对来说,探月不存在“逃离地球”的速度要求,因此也不存在类似的“恐怖九分钟”。

2021年,5月22日,“祝融号”火星车成功降落在火星南北半球的乌托邦平原,这里被认为可能是远古火星海洋的所在地。研究表面在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方,存在大量地下水冰,是探测火星生命的绝佳地点。

成功软着陆的背后,是我国先进的软着陆技术——中国是除美国外世界上唯一独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。

目前,人类研发出了三种方式进行火星软着陆,分别为气囊弹跳式、反推着陆腿式及空中起重机式。

我国的天问一号选择的反推着陆腿式,通过气动减速段、伞降减速段、动力减速段、着陆缓冲段四个阶段逐步减速,以安全到达火星表面。

据悉这一方式需要两重减速,一是需要利用降落伞减速,二是而后需要反推发动机点火,使探测器再次减速,在着陆前进行自主悬停避障。不过,这种方法难以满足重量较大探测器的软着陆要求,着陆精度也相对较高。

这种降落方式匹配下,天问一号着陆巡视器的重量为240千克。这与美国毅力号的1025千克仍有差距,但我国毕竟是首次探火,并不适合直接与多次登录火星的美国相比。



不同于“天问一号”的火箭反推降落方式,毅力号采用的“天空起重机”(sky crane)的降落方式成本则更高,可以满足重量更大的探测器的软着陆需求,从而使得重达1吨的毅力号更平稳降落。 “天空起重机”上搭载的 8 枚火箭点火,将 “毅力”号火星车悬停至着陆点上方,火星车将利用尼龙绳降至火星表面。

也正是降落方式的不同,加上祝融号是环绕火星后降速着陆,祝融号与毅力号的着陆时间也出现了两分钟之差。



总而言之,尽管中美火星着陆的方式有所差异,但是着陆的难度和“恐怖性”不言而喻。据央视新闻报道,自1961年至今,人类火星着陆任务达到17次,但成功的仅有8次,成功率只有不到50%!



3、巡视任务:等待祝融号的是沙尘暴、暴风和滚石

火星环境恶劣,到达火星的祝融号要实现巡航任务,首先要在众多未知环境下活下来。

火星上白天最高温度大约27摄氏度,与地球相近,但晚上低至130摄氏度,且火星表面气压大约也是地球大气的1%,因此祝融号要比在地球上承受更强的低气压和温差。火星表面的土壤物理学特性与月壤类似,但由于常年侵蚀十分松软,为了防止祝融号行走车轮下陷,因此,祝融号设计地支持抬轮和蠕动。

沙尘暴在火星上非常严重,下图比较了火星正常情况和沙尘暴时期,后者基本上看不清地面。此前,美国宇航局(NASA)的“机遇号”火星车正是遇上火星沙尘暴,太阳能板蒙尘而与地球失联。



为此,祝融号火星车采用表面工程技术除尘法,采用超疏基结构,类似下雨时荷叶上的水珠,让“祝融号”的太阳能板不易沾染灰尘。同时,祝融号在巡航中也要面临休眠唤醒任务,以应对火星上的沙尘暴及其他状况。

我国的月球车“玉兔号”已经在月球巡航为我们探火积累经验,不同于月球的真空环境,火星上有大气存在,因此复杂很多。

比如火星上的风速可达每秒180米,几乎是地球上特大台风风速的三倍多;同时火星表面密布着石块等障碍物,火星车一旦被障碍物卡住或撞击,都可能使得后续任务难以完成。

据称,为了让祝融号走地更稳妥,中国航天科技集团五院的实验室中有一台与“祝融号”一模一样的火星车,会模拟祝融号遇到的复杂路况,模拟行驶,确认无误后才会发出指令。

除了沙尘暴、复杂路况等,祝融号在一个陌生的星球可能遇到的状况还有很多,任何一个环节的小差错都可能使得任务失败,这也对祝融火星车在硬件、网路等层面提出更高的要求。

火星车的遥控也比月球车难度颇高,目前我国月球车已经能实现在无时延的情况下进行实时控制,能够快速响应指令,使得指挥员看到它的状态后再发出下一个指令。

但在火星上,由于距离、轨道、能源约束等原因,难以与地球实现连续通信,只能在全天某些时间段接收火星车的数据。因此,祝融号采取延时指令,会被告知在什么时间点做什么事情,然后按时序自主执行。

“天问一号”轨道器扮演“祝融号”的信号中继,同时深空探测网接收中继来的信号。我国深空网由喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站三大深空站支持,从而保证祝融号的照片能发回地球的“朋友圈”。

深空探测网是天问一号背后的“英雄”,目前,中国深空探测网前已经发展成为全球仅次于美国的测控网络。

06.结语:天问之后,我国航空梦行得更远
“天问”出自屈原的《天问》,文章开篇就提到了“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”这样的句子,是问远古开始之时,是谁将创造了这样的形态?天地尚未成形之前,又从哪里得以产生?

而天问一号探测器则带着中国自古以来对宇宙起源的好奇,来到火星。

回到我国航天事业进展,可以说去年以来捷报不断——从北斗组网成功到空间站发射,从嫦娥五号月球挖土到如今的天河一号探火成功,我国太空探索大步向前,可以说是一代又一代航空航天人的心血!天问之后,祝愿我们的航空强国梦越行越远。
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