人类探测火星到底有多难

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2018-12-12

飞了6个月,“洞察”号即将到达目的地历经6个多月的航行,“洞察”号无人探测器终于抵近目的地——火星。

美国航天局宣布,“洞察”号计划于本月26日在火星着陆。 “洞察”号于今年5月5日升空,执行人类首次探究火星“内心深处”奥秘的任务。 按照计划,它将于美国东部时间26日15时许(北京时间27日4时许)在火星着陆。

这个有着“三条腿、一根手臂”的客人抵达火星表面以后,将展开两个圆形可折叠太阳能板,伸展机械臂,利用地震调查、温度测量等方法,去了解火星的内部结构,探究火星地震和火星内核的奥秘。 “为什么每颗行星都有与众不同的特点,这些答案都在行星早期历史的细节中”。

美国宇航局专家说。 路途漫漫且环境险恶,火星被称为“探测器坟场”火星被称为“探测器坟场”,因为至今人类已发射了40多个火星探测器,而成功率仅约50%。 主要原因是火星距地球遥远,探测器要飞几亿千米才能到达火星,所以对发射、轨道、控制、通信和电源等不少技术都提出了很高的要求。

例如,运载火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是火星探测的重要前提,最好用大推力运载火箭把探测器加速到千米/秒的第二宇宙速度,直接进入地火转移轨道飞往火星,如果需要消耗探测器自身燃料和较多的飞行时间来加速,就会影响探测器寿命。

印度就是由于运载火箭推力小,所以其首个火星探测器多花了很多时间和燃料才抵达火星。 通信问题也不是易事。

从地球发送到火星的无线电信号延时很长,单程需要20分钟左右,因此火星探测器需有较强的自主控制能力;另外,由于信号的强度与距离的平方成反比,距地球太遥远的火星需要装有高增益、高可靠通信设备,以及必须拥有天线直径很大的地面深空测控网以增加探测距离。

即使这样,还是有不少火星探测器因通信故障而失踪。

例如,1992年9月25日发射的美国“火星观测者”轨道器,在1993年8月21日即将进入火星轨道之前失去通信联系。

由于路途漫漫,火星探测器在飞往火星的途中要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道修正。

如果在地火转移轨道近地点有1米/秒的速度误差或1千米的高度误差,飞到火星附近时就将产生10万千米的位置误差。

轨道修正是通过分布在地球表面的深空测控网实现的。

该网常由3个在全球彼此相隔120的地面通信站组成,天线直径达64至70米。 美国“勇气”号火星车在降落在火星表面前,先后修正了4次航线。 太阳风暴的影响也须警惕。 日本首个火星探测器“希望”号原定于2003年12月14日进入火星轨道,就是受到太阳风暴影响,电路系统出现故障,变轨发动机无法启动,最终导致探测器不能切入火星轨道而告失败。 火星环境复杂、恶劣,也是造成火星探测器经常“阵亡”的主要原因。 火星大气密度只有地球大气密度的1%,因而辐射严重,沙尘暴也很大,有时是地球上12级台风的6倍,且可持续达半年,今年美国“机遇”号火星车就是因沙尘暴而停止了工作。 “恐怖7分钟”!着陆期间风险最大眼下,对于“洞察”号来说,正是最让人担心的时刻。

像其他火星着陆器一样,“洞察”号整个任务分为发射、巡航、进入下降和着陆、表面操作四个阶段,而其中风险最大的是进入下降和着陆阶段。 探测器进入火星轨道的难度,被比喻为从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。

这是由于通信延时很长,所有数据都要提前注入。 在探测器切入火星轨道过程中,如切入点离火星过远,则不能被火星引力捕获而掠过火星;如切入点离火星太近,则可能坠毁于火星大气层。 如果探测器要在火星表面着陆,难度就更大了。 因为在探测器进入火星大气时离地球很远,遥测和遥控信号比较微弱;另外,当探测器运行到火星背面时,地球上无法准确地确定其轨道参数,这就给再入高度的选择带来困难。

由于受通信延时的影响,所以在火星着陆的全过程中,一切都要靠探测器自主进行。

进入火星大气层后,探测器防热措施如何,降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作,都必须非常精确,整个过程被称为“恐怖7分钟”。

所以,探测器在火星着陆的每个环节都不能有闪失。 许多探测器都因为小细节功亏一篑。 例如,1999年9月23日,美国“火星气候”轨道器在即将进入预定轨道前烧毁,原因是在轨道切入操作中,将英制和公制单位混淆,造成导航误差,使其飞离火星太近而烧毁。 原定1999年12月3日在火星着陆的美国“火星极区”着陆器,是因为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。

2003年12月,欧洲“猎兔犬2”号着陆器由于着陆后太阳电池板没有完全展开,最终失去电力而与外界失联。 2016年10月20日,欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器,因为一个1秒的计算失误,导致降落伞与防热罩提前分离,最终硬着陆而撞毁。 着陆方式主要有三种,各有优缺点目前,探测器在火星的软着陆方式主要有三种,每种方案都各有优缺点。

一是气囊弹跳式。 这种方式比较简单,成本低,但只能满足重量小的探测器软着陆要求,且着陆精度不高。

美国“火星探路者”、“火星漫游者”(“勇气”号和“机遇”号火星车)都采用降落伞+气囊弹跳方式。

二是反推着陆腿式。 这种方式复杂一些,成本高,可满足重量较大的探测器软着陆要求,着陆精度较高。

美国“海盗”号、“凤凰”号、“洞察”号和欧洲的“猎兔犬2”号、“夏帕雷利”都采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式。 三是空中起重机式。 这种方式最为复杂,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。 携带“好奇”号火星车的美国“火星科学实验室”采用降落伞+缓冲发动机反推+空中起重机方式。

如今,所有的火星着陆器全部采用刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞的减速方案来完成超声速减速工作。

2012年在火星表面实现软着陆的“好奇”号火星车是至今质量最大的火星着陆器,达960千克。 可以说,“好奇”号已把刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞这项减速技术所能承受的重量推到极限,而未来的载人火星任务涉及的重量将达到20吨以上,因此现有的3种着陆方式都无法保证大质量航天器安全软着陆。 为了完成未来的载人登陆火星任务,美国正在积极研制新的火星着陆装置——“低密度超声速减速器”。

当着陆器以大约马赫的速度进入火星大气时,该装置能像夏威夷气鼓鱼一样迅速充气,以增加表面积,进而增加空气阻力,使着陆器的速度减至2马赫。 此时,直径33米的巨型超声速环帆降落伞打开,帮助火星着陆器安全着陆。

(本报综合)编辑:chenguo上一篇:下一篇:。