“天问一号”成功登陆火星!最惊险的“恐怖七分钟”,它竟独自闯关

据新华社消息,我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上首次留下了中国印迹,迈出了我国星际探测征程的重要一步。

自2020年7月23日发射升空,迈出我国自主开展行星探测的第一步,天问一号于2021年2月10日进入环火轨道,迄今已飞行9个多月。

“天问一号”成功登陆火星!最惊险的“恐怖七分钟”,它竟独自闯关

经过约三个月的环火飞行,今晨终于来到了探火之旅挑战最大的一步——着陆火星。

恐怖七分钟,火星着陆有多难

着陆火星,可谓是此次火星之旅的最大挑战,其难度被形容为相当于从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个洞里。因此,这个过程也被成为“恐怖七分钟”。

“天问一号”成功登陆火星!最惊险的“恐怖七分钟”,它竟独自闯关

这是由于火星距离地球太遥远了,地面的遥测和遥控信号很微弱。

另外,由于地球与火星的通信延时达10分钟以上,所以在火星着陆的全过程中,一切都要靠探测器自主进行。还有,当火星探测器运动到火星背面时,地球上无法准确地确定其轨道参数,这就会给再入高度的选择带来困难。

着陆前,必须提前给火星探测器注入数据,使它在着陆过程中完全自主地执行上百个程序,精确地完成气动减速、降落减速、制动减速和着陆减速等一系列动作,任何一个程序都不能有误。

进入火星大气层后,火星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?这些步骤都至关重要的,必须非常精确,一秒不差。整个过程要经历所谓的“恐怖7分钟”。

因此,火星探测器的着陆过程十分复杂,每个环节都不能有闪失。有一名美国科学家曾形容火星探测器着陆时的心情,就好像丈夫在产房外等待妻子分娩一样。

原定1999年12月3日在火星着陆的美国“火星极区着陆器”在即将登陆火星表面时,由于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。2016年10月20,欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器在着陆前与地面失去了联系,原因由一个仅一秒的计算失误所致,提前将降落伞与防热罩分离,导致“夏帕雷利”硬着陆而撞毁。

依靠火星大气阻力,三种着陆各有千秋

经过大量研究和实践的探索,目前,探测器在火星软着陆方式主要有三种,每种方案都各有优缺点,但基本原理相同,就是依靠火星大气对进入舱和降落伞产生的阻力以及探测器上缓冲发动机的反推,把高速飞行的火星探测器在着陆火星表面时速度减为零。

第一种着陆方式是气囊弹跳式。这种方式比较简单,成本低,但只能满足重量小的火星探测器软着陆要求,且着陆精度不高。美国“火星探路者”、勇气号和机遇号火星车都采用这种着陆方式,即降落伞+气囊弹跳方式着陆。由于探测器是被气囊包裹住,着陆时是硬着陆,所以刚着陆时会被弹起10层楼高,然后经过多次弹跳,逐渐降低弹跳高度,最后在火星表面着陆。

第二种着陆方式是反推着陆腿式。这种着陆方式复杂一些,成本高,可满足重量较大的探测器在火星软着陆要求,着陆精度较高。美国的海盗1号和2号、凤凰号、洞察号以及我国的“祝融”火星车都采用这种着陆方式,即降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式着陆,其中着陆腿在着陆是起到一定缓冲作用。

第三种着陆方式是空中吊机式。这种着陆方式最为复杂,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,其特点是最后通过空中吊机的原理着陆,所以能精确着陆。美国好奇号和毅力号火星车都采用这种着陆方式,即降落伞+缓冲发动机反推+空中吊车方式着陆。

减速悬停+四腿着陆,“祝融”将这样降落火星

我国之所以采用反推着陆腿式着陆火星,是因为“祝融”火星车的质量为240公斤,因此适合采用这种方式。另外,这种着陆方式与“神舟”飞船返回舱返回地球类似,所以可以借鉴以前的技术和经验。其具体着陆过程分为以下4个阶段。

“天问一号”成功登陆火星!最惊险的“恐怖七分钟”,它竟独自闯关

一、气动减速段,靠火星大气的阻力,用约290秒把装有着陆巡视器的进入舱速度从4.8千米/秒减速到460米/秒。由此可见,气动减速段是最主要的减速阶段。这里要注意的是进入舱首先瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊,角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈,角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。

二、伞降减速段,进入舱打开降落伞,用约90秒把速度由460米/秒降到95米/秒。在这1分钟多的时间里,要关注火星大气层中风的速度和方向,风太大会影响着陆点的精度,甚至影响着陆安全。

三、动力减速段,进入舱要把大底和背罩抛掉,露出了着陆平台和火星车。平台上的大推力缓冲发动机开始工作,进一步减速,用80秒把速度减小到3.6米/秒。

四、着陆缓冲段,着陆巡视器在高度降为100米的时候速度基本上降到0,进行悬停避障,观察地面,寻找最安全的着陆地点,最后通过4个着陆腿的缓冲作用在火星表面软着陆。

成功着陆火星后,祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检驶离着陆平台并开展巡视探测。

作者:庞之浩

编辑:许琦敏

图片来源:本报资料图片

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