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天问一号 : 登陆火星 |【回形针PaperClip】
162 浏览 | 2021-05-16 | 阅读时间: 约 5 分钟 | 分类: 科学 | 标签:
请注意,本文编写于 77 天前,最后修改于 77 天前,其中某些信息可能已经过时。

遂古之初,谁传道之?
上下未形,何由考之?
冥昭瞢闇,谁能极之?

天问一号的成功发射,标志着中国人也正式踏上行星探测的征程。

为了让天问一号顺利抵达火星并成功着陆,都要克服哪些问题?

相比抵达月球,抵达火星非常不易。火星公转周期 687 天,几乎是地球的 1.9 倍,地火距离因此不稳定,最远达 4 亿公里,最近也高达 5400 万公里 ,是相对稳定的地月距离的 140 多倍。

距离遥远多变,飞行距离长,想把探测器送到火星非常困难。

1925 年,德国工程师瓦尔特·霍曼在书中提出了著名的霍曼转移轨道。简单说,就是以大于第二宇宙速度的速度将探测器顺着地球公转方向发射。根据开普勒第一定律,摆脱地球引力的探测器随后会以太阳为近焦点做椭圆轨道运动。

当发射速度够大,轨道远端就能与火星轨道相切。探测器在地球处于霍曼转移轨道的近日点时发射,进入「地火转移轨道」后,靠惯性飞行,然后在火星处于霍曼转移轨道的远日点时抵达。

这就是目前从地球去火星最常见、省能量的方案。

为了更好利用地球自转速度,使航天器获得足够速度,天问一号选择从纬度更低的文昌航天发射场发射,在长征五号遥四运载火箭强大运载能力帮助下,2000 多秒就能进入「地火转移轨道」。

但,地球在动,火星也在动,时机不对就会错过,何时发射才能和火星同时到达呢 ?

我们简化情况估算一下。根据开普勒第三定律,绕日天体轨道半长轴的立方与其公转周期平方之比是常量。

代入数据,就得出理想状态下,探测器走这个轨道的绕日周期约 520 天,到达火星轨道需 260 天。而火星公转周期 687 天,再通过简单计算,就得知 260 天前火星的相对位置,即发射的最佳窗口。

但是,因为地火公转周期差,这种「探测发射窗口期」每 26 个月才出现一次,十分宝贵。这也是为什么美国和阿联酋也赶在去年七月发射了各自的探测器。

当然,刚刚是简化各种因素后的运算。为了与火星精准相遇,天问一号途中进行了四次轨道微调和一次大的轨道调整。

在飞行 4.75 亿公里,实际用时 202 天后,终于在 2021 年 2 月 10 日实施近火捕获制动,成功降速进入火星轨道。监测相机也记录下这珍贵时刻。

天问一号随后通过「远火点平面机动」,将轨道从环火星赤道转为环南北极,并在两次近火制动调整后,于 2 月 24 日进入火星停泊轨道。从高分辨率相机拍摄的清晰画面中,你能清楚看见火星表面环形坑,山脉等地貌特征。

随后三个月,探测器不断对火星地貌、气候和预着陆区的情况进行观测。待时机成熟,「登陆火星」

不过,相比 50 多年前载人登月,在过去 60 年间的近 50 次火星探索任务中,也仅有 9 个登陆器或火星车成功登陆。为什么会这么难?

主要问题就是减速。 根据以往数据,登陆器进入火星大气速度非常快,一般在 16200 km/h ~ 20000 km/h 左右。天问一号的进入速度估计约为 17600 km/h。

虽然火星大气的存在使登陆器能像卫星返回地球一样,利用大气摩擦做气动减速和降落伞减速。但火星大气的压力和密度只有地球的 1% 左右,十分稀薄,无法像地球大气一样提供足够的空气阻力。

所以,还需增加登月时常用的反推发动机动力减速和降落前的着陆缓冲,才能实现最终的软着陆。

而届时地火距离超 3 亿公里,通讯时延超 17 分钟,远超着陆时间,一切情况只能靠登陆器自主判断,风险极大。任何环节稍有差错都会使登陆器因降速不足而坠毁。

同时,火星大气不稳定,尘暴较地球严重,影响着陆时参数的获取和确定。更不用提降落范围内,砂石遍布、崎岖不平的地表对最终着陆造成的挑战。

当然,火星复杂的环境对着陆点选择也提出了很高要求。

这是基于火星全球探勘者号数据绘制的火星地形图,从深蓝到红到白代表海拔的递增。

为了延长登陆器在大气通过的行程,使减速时间更长,首先就要选择海拔较低,地势较平坦的地区。

其次 ,由于火星气温很低,平均在 -60℃ 左右,最低可达 -140℃,且温度随赤道向两极递减。

所以为使设备获得足够温度和能源,通常选择南北纬 30 度以内,温度较高、日照较充足的地区。

同时,由于火星地表大面积覆盖松散的灰尘,有时可达 4~5 米。我们还需结合这样的热惯量图和热反照率图,寻找热惯量值较高,反照率较低,也就是灰尘较少,承重能力更强,利于登陆和行动的地区。

其实,参与任务的工程师在每次火星登陆任务发射前四五年,都会制订这样的着陆区工程限制条件表圈定范围。行星科学家们随后再根据科考目标,逐步缩小范围。

比如毅力号选择的杰泽罗陨石坑,就因地处古湖泊入口处,富含三角洲、流水地貌、沉积矿物和火山熔岩,从 30 多个地点中脱颖而出,成为最终选择。

所以,在结合工程限制条件和科考目的后,天问一号最终选择了地势平坦、可能曾是海洋的乌托邦平原登陆。

2021 年 5 月 15 日 7 时 18 分,天问一号成功在乌托邦平原南部着陆,完成「落」的目标,正式点燃中国人行星探测的火种。

「天何所沓?十二焉分?」
「日月安属?列星安陈?」

两千多年前中国古人对苍茫宇宙的连连发问,正不断通过今天中国航天人的努力被带向深空。

而天问一号,才只是中国人面向行星探测发出的第一问。


附:基于工程约束的火星着陆区选择
转载来自:【回形针PaperClip】

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