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落火三周年,一起回顾天问一号火星着陆惊心动魄的9分钟

中国宇航学会
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2021年5月15日7时18分,中国天问一号探测器稳稳降落在位于火星北半球的乌托邦平原上。至此,我国首次火星探测任务顺利度过了最为凶险的阶段——从进入火星大气层到着陆火星表面的“惊心动魄9分钟”。“天问一号”成功着陆,意味着我国成为世界上第二个航天器成功着陆火星的国家。

天问一号落火示意图

为着落,天问一号做了哪些准备?

2021年5月15日凌晨4时许,火星上空,天问一号探测器系统中的“两兄弟”在做最后的告别——相伴295天后,环绕器和承载着祝融号火星车的着陆巡视器正式分离。

天问一号着陆巡视器与环绕器分离模拟图

随后,环绕器抬升了自己的轨道,迎来新的使命——为火星和地球之间架起通信桥梁。

此时,着陆巡视器独自上路,它调整姿态,防热大底朝前,沿着进入火星大气层的轨道滑行,瞄准进入火星大气层的狭窄“走廊”。3小时后,它进入火星大气,迎来整个火星探测任务的惊心动魄时刻。生死考验后,它将代表中国完成首次着陆火星的壮举。

进入火星大气层前调整姿态

“天问一号”距离家乡3.2亿公里,是走得最远的中国远行客。2020年7月23日,它从海南文昌启程,至此已跋涉295天。这些天里,它曾举起自拍杆,拍下深空掠影,向祖国报告平安;也曾回望故土家园,拍下地月合影,遥寄思乡之情。最重要的,它先后多次修正前行轨道,更精准地朝火星奔去。

2021年2月24日,它踩下了“史上最难”的太空刹车——通过3次近火制动,成功进入火星轨道,顺利飞抵火星。在火星上空踩下的这几脚刹车,分寸有多难拿捏?科学家说,就像从巴黎打出一个高尔夫球,让它落进东京的某个球洞里。

到达火星上空后,“天问一号”没有立即降落,而是环火飞行数月。中国首次探测火星,最重要的是妥妥成功,因此,“天问一号”选择了最稳妥的模式——“先绕后落”。

天问一号环绕器总体副主任设计师杜洋介绍,我国在天问一号探测任务之前,尚不掌握第一手火星环境资料,对火星的地形地貌、天气环境等各方面情况尚不熟悉。在本次任务中,根据全球已公开的数据,在任务规划中首先预选出一个首选着陆区以及一个备选着陆区,并通过环绕火星的方式对预选着陆地点进行探测。

在将近3个月的时间里,“天问一号”在火星停泊轨道上“兜圈”式飞掠,不停地鸟瞰着陆点——乌托邦平原。借助携带的相机和光谱仪,它看清了火星的地形地貌,监测到了火星沙尘暴的当季动向,也看到了着陆地区的坡度、凹坑等。

科研人员根据观察到的最新情况,不停地完善火星着陆方案,避开恶劣的火星天气,选择一个“风和日丽”的日子实施火星着陆计划。

着陆过程中,天问一号如何自主闯险关

北京航天飞行控制中心,随着“天问一号”两兄弟分离,科研人员也进入了最后的忙碌时间。很快,着陆巡视器将迎来火星着陆的挑战。其间,信号会被等离子鞘层切断,“天问一号”将短暂失联,所有的难关只能靠着陆巡视器自主去闯。

此刻的航天科技工作者就像一位丈夫,妻子即将进入产房,他等候在门外,能做的已经很少,但抑制不住兴奋和紧张。

火星着陆素有“黑色7分钟”的说法,最早起源于美国火星探测任务,揭示着陆过程的险象环生,具体耗时却不尽相同。国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言介绍,中国天问一号任务中,探测器从进入大气到着陆火星,全程预计9分钟。

火星稀薄的大气屏障曾让数个人类探测器殒命。一头扎进不可知的大气环境,是世界一半以上火星探测器着陆失败的主要原因。天问一号在赢得荣誉之前,先要经受世所罕见的残酷考验。

事实上,我国虽未着陆火星,却有类似的技术基础。我国神舟系列飞船曾多次成功从太空返回地球,嫦娥系列探测器也曾数次实现月球软着陆,这些都意味着我国已熟练掌握降落伞减速、动力反推减速等技术。

但这些技术能不能照搬到火星着陆上来?答案是否定的。

主要是因为火星大气环境的特殊性。火星有一层稀薄的大气,这使得火星着陆与登陆月球相比,不能仅仅采用动力反推的方式,还需增加气动减速和伞系减速等环节,因而着陆控制更为复杂。而地球虽然也有大气层,却与火星不同。根据目前掌握的资料,火星表面常有风沙和尘暴,会对着陆火星产生致命干扰,但对其具体运行规律却知之甚少。

另一个难点在于,当火星探测进行到着陆这最为凶险的一步时,探测器与地球却是完全失联的。火星探测器总体主任设计师王闯介绍,首先,探测器高速再入时,和稀薄大气积压产生冲击波,形成等离子鞘层,导致通信中断;其次,因为火地距离3.2亿公里,无线电信号一来一回要35分钟,着陆过程却只有短短几分钟,人根本来不及干预。

不到10分钟,天问一号怎样从时速两万公里降速到零

7时许,天问一号着陆巡视器飞向火星大气层,“惊心动魄9分钟”拉开序幕。在此前人类尝试着陆火星的任务中,仅美国取得9次成功,苏联火星三号着陆20秒后失联,其他尝试均告失败。现在,中国队来到赛道。

着陆巡视器快速冲向火星,时速高达2万公里,约为“和谐号”高铁时速的70倍。从火星上空到达火星表面,总共只有不到10分钟,如何在这么短时间里把速度从2万公里降到零?火星着陆的终极手段是降速。

天问一号任务火星着陆共分为4个阶段:气动减速段、伞系减速段、动力减速段、悬停避障与缓速下降段。“火星着陆过程复杂、动作繁多,环环相扣、步步惊心,一招出错、全盘皆输。”耿言说。

第一阶段为气动减速段,火星既有的稀薄大气与进入舱产生摩擦实现减速。着陆巡视器被装在进入舱中,进入舱分为背罩和大底,大底是一个盾形结构,飞入大气层时,大底斜向下对抗冲击和烧蚀。航天科技集团的研制团队进行了大量风洞试验,从积累基础数据开始,最终完成了进入舱气动外形和热防护的研究、设计。

进入火星大气层利用大气减速

耿言介绍,气动减速阶段有一个环节是展开配平翼,目的是减少探测器的晃动,给后续打开降落伞创造更好的条件。

气动减速过程克服了高温和姿态偏差,约5分钟减速后,着陆巡视器的下降速度也减掉了90%左右,降到每秒约460米。这时,着陆巡视器距离火星表面约11公里,着陆进入了第二阶段——伞系减速段。

伞系减速段

“如果能够顺利打开降落伞,火星着陆就成功了90%。”耿言说。

开伞过程很巧妙。降落伞装在弹伞筒中,弹伞筒有单门冰箱大小,装在进入舱背罩的正下方。收到控制系统发出的点火指令后,弹伞筒中的火药点燃,产生的高压燃气推动伞包冲开筒盖,飞出进入舱。随后,降落伞以倒拉的方式展开。这顶降落伞是我国首次亮相的锯齿形盘缝带伞型,展开面积达到200平方米。很快,它充气张满,48根黄色伞绳拉得笔直。

航天科技集团所属中国空间技术研究院508所总工程师黄伟介绍,着陆火星,我国要首次在超声速、低密度、低动压的条件下开伞,以往航天器的降落伞不适合在火星使用,要么是不能在超声速下完成对降落伞的稳定充气,要么是不能满足低密度低动压条件下的稳定性需求。

针对火星探测任务,降落伞设计师首次设计使用了锯齿形盘缝带伞型,并采用了新研制的特纺材料,创新了伞绳插接工艺,提高了降落伞的强度与可靠性。

随着红白色巨型降落伞的展开,着陆巡视器下降变得更慢,随后进入舱的大底抛开,承载着祝融号火星车的着陆平台率先与火星打了照面。

“天问“祝融”如何稳落火星?

降落伞把速度降到每秒约95米,着陆巡视器距离火星表面1~2公里,此时,降落伞携带进入舱的背罩与着陆巡视器分离。“祝融”露出头来,呼吸到了火星上的新鲜大气。

但降落还没有停止,惊心动魄时刻并未结束,此时,推进系统开始担纲主力,火星着陆进入第三个阶段——动力减速段。

动力减速段

天问一号着陆巡视器推进分系统主任设计师韩泉东介绍,着陆巡视器上配置了1台7500牛变推力发动机和26台姿控发动机。其中,7500牛变推力发动机安装在着陆平台的正下方,为该阶段减速提供主要动力;8台250牛发动机方向与主发动机一致,配合主发动机实施减速;8台水平安装的250牛发动机可用于横向平移;其余姿控发动机均用于精确姿态控制。

在多台发动机的作用下,着陆下降速度从每秒约95米降至每秒约1.5米。

距离火星表面100米时,着陆巡视器悬停了下来,但还不是休息的时候,火星着陆过程进入到最后一个阶段——悬停避障与缓速下降段。

人类探索火星的减速方式大致相似,但到了最后一步,距离火星咫尺之遥时,方式开始多样起来。综观以往,最后一步大致可分为气囊弹跳式、反推着陆腿式和空中吊车式。

航天科普专家庞之浩介绍,气囊弹跳式适合小重量探测器着陆要求,反推着陆腿式可满足重量较大的探测器在火星软着陆要求,空中吊车式可满足重量更大的探测器软着陆要求。

我国天问一号着陆巡视器采用的是反推着陆腿式在火星表面软着陆,这同我国探月工程嫦娥三号和嫦娥四号着陆月面的方式类似。

王闯介绍,悬停在空中后,着陆巡视器搭载的微波测距测速敏感器、光学相机等6台仪器都同时开启,对火星表面进行观察和分析,判断出火星表面哪里更平整,在哪里“落脚”更安全。

这一步同样关键,如果着陆地点选不好,前边所有努力或许都会付诸东流。“100米的高度已经能对着陆地形进行准确判断,看看有没有大坑和大石块,有的话就需要避开它。”

此时,在推进系统提供的连续可调的轴向推力和强劲的横向推力作用下,着陆巡视器寻找最优着陆点,选择更加平坦的地形,确认最终着陆位置,实施缓速下降。

7时18分,4条着陆腿与火星表面第一次亲密接触。触地后,带有缓冲装置的4条着陆腿有效抵挡了着陆瞬间的冲击力,在与推进系统共同作用下,重1.3吨的着陆巡视器稳稳地落在火星乌托邦平原南部的预定着陆区域。

闯过“惊心动魄9分钟”,中国首个火星探测器平安抵达火星表面。

“天问”稳落火星表面

评论
演绎无限精彩!
大学士级
回顾“天问一号”成功着陆,背后夹杂着无数严密的思索和艰辛的汗水,让人们感受到不惧风险挑战、勇于突破、敢于攀登的中国航天人的强大精神力量!
2024-05-16
科普中国●yling
贡士级
落火三周年,虽然天问一号真正危险的时间只有9分钟,但是却牵动着全国人民的心。相信在这段时间里,有很多的人们都在等待着结果,等待着那个激动人心的时刻,最终我们听到了成功的声音,全国人民欢呼!天问一号的火星着陆成功,是我国航天事业发展史上又一具有重大意义的里程碑事件。
2024-05-16
科普lyjzgf
进士级
这九分钟内,由于信号延迟,地球上的人们无法实时控制,全靠天问一号自主完成所有操作,每一步都必须精确无误,任何微小的失误都可能导致任务失败。因此,这九分钟被视为探测器从“未知”到“已知”、从“危险”到“安全”的惊心动魄过程,也是中国航天技术实力的一次集中展现。
2024-05-16