火星,你好!中國探測器首次登陸火星,“祝融號”開啟科學探測之旅
2021年05月16日08:58

原標題:火星,你好!中國探測器首次登陸火星,“祝融號”開啟科學探測之旅

機器之心報導

機器之心編輯部

在 3.2 億公里之外,我們的探測器成功穿越火星大氣層,降落在了神秘外星的表面。

從遙遠的火星表面,傳來了「祝融號」成功登陸的好消息。

北京時間 5 月 15 日早 8 時 20 分,天問一號的著陸器確認成功登陸火星,其著陸地點位於火星北半球的「烏托邦平原」,著陸器上搭載的是我國首輛火星車「祝融號」。我國首次火星著陸任務邁進了重要一步。

此前,人類飛行器進行火星探測任務的成功率僅為 50% 左右,而成功登陸火星表面並順利開展工作的探測器成功率則更低,大約只有 20%。

自此,我國成為繼美國、蘇聯之後第三個成功著陸火星的國家。在此之前,人類對火星進行了 45 次探測,實現了飛躍、環繞、著陸和巡視。只有美俄兩國共成功實施過 12 次火星表面軟著陸(包含 5 台火星車)。

由於蘇聯的唯一一次成功著陸:1971 年發射的火星 3 號在著陸後只工作了約 14 秒,祝融號的成功運轉顯得更進一步,它意味著我國成為了世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。另外,我國的火星登陸任務初次嚐試就選擇了三組件探測器的複雜形式,這也體現了航空工作者們對於任務的信心。

意大利博洛尼亞射電天文學研究所的行星科學家 Roberto Orosei 此前曾對《自然》雜誌表示,「祝融」火星車如果著陸成功,就意味著中國只用一次任務就實現了美國耗費數十年曆經多次任務實現的目標,「這將是巨大的飛躍」。

在祝融著陸成功後,美國國家航空航天局 NASA 科學任務局副局長托馬斯·祖布第一時間發來祝賀:「中國首個火星探測器『祝融號』登陸火星,恭喜中國國家航天局『天問一號』團隊!和全球的科學界一起,我期待中國本次火星任務,對人類瞭解這顆紅色星球作出重要貢獻。」

目前在火星表面還有美國的好奇號、毅力號火星車仍在運行中,另有一台靜止的「洞察號」探測器也在火星表面執行任務。

在今天早晨的登陸行動之前,天問一號載著以中國神話傳說中火神命名的探測器從地球出發,跋涉三億公里而來。它經曆了 296 天的太空之旅,其中包含圍繞火星飛行的三個多月。在經曆了僅 7 分鐘的著陸過程後,天問一號的登陸器即將開始在這個紅色星球上的氣候與地質學探索。

著陸地點最終選在了火星北半球的烏托邦平原(Utopia Planitia),這是火星上最大的平原,正是 1976 年 NASA 的維京 2 號著陸器降落的區域。

2020 年 7 月 23 日,天問一號從海南文昌航天發射場升空,啟動了為期七個月的火星之旅。2021 年 2 月 10 日,天問一號探測器進入環火軌道。本週五,中國國家航天局正式預告了天問一號探測器「擬於北京時間 5 月 15 日淩晨至 5 月 19 日期間擇機著陸於火星烏托邦平原」。
「祝融號」火星車模型。

此前三個月,天問一號以 49 小時的環繞週期圍著火星飛行,一直在尋找火星烏托邦平原的著陸點。「祝融號」火星車位於著陸器內,長約 1.85 米,其重量約為 240 公斤,幾乎是月球車「玉兔」重量的兩倍。

「祝融號」的車載設備包括兩個鏡頭、一個火星漫遊車地下探測雷達、火星磁場探測器和火星氣象監測儀。「天問一號的主要任務是使用軌道飛行器對整個火星進行調研,並將漫遊車送到科學考察的地表位置,以高精度和高解像度進行詳細地考察。」

由於「祝融號」火星車此次選擇的著陸地點特殊,全球的科學家都在期待這台火星車能夠考察此區域的永久凍土層,傳回此前不為人所知的地質信息。中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤傑曾表示,地質學家認為,這裏很可能是一個古海洋所在地。

恐怖7分鐘

火星表面著陸的挑戰主要來自於地球與火星之間遙遠的距離——以光速傳播的無線電波需要幾十分鐘才能來回一次,這使得地面人員無法實時控制著陸過程,一切步驟都只能依賴於探測器的自主操作。

要想平安穩定地降落到火星表面,首要問題就是讓高速奔馳的天問一號減速。航天科技集團五院天問一號探測器總體主任設計師王闖介紹說:「超音速降落傘是減速技術中難度最大的一個環節,天問一號在使用降落傘時要保證在超音速、低密度、低動壓下打開,而這個過程存在開傘困難、開傘不穩定等問題。由於火星大氣非常稀薄,進入火星時要求探測器的氣動外形具備高效的減速性能,同時需要更輕量化的防熱材料。」

除了減速設計,火星進入方案的選擇也至關重要,甚至可以說決定「生死」。從開始踏上進入點的那一刻起,天問一號就迎來了此次探火旅程中最為凶險、最為驚心動魄的「恐怖 7 分鐘」。到目前為止,人類火星探測任務的成功率僅有五成左右,大部分失敗都是折戟在「進入 / 下降 / 著陸( EDL)」這一階段。

早在 EDL 前,「天問一號」在火星停泊軌道上就對著陸區進行了詳查預探測,獲取了大量的著陸區地形地貌的數據,並對火星塵暴發生的概率進行了評估;同時,天問一號繼承了嫦娥三號、四號、五號成熟的懸停、避障技術,以確保安全著陸。

航天科技集團五院天問一號探測器總設計師孫澤洲介紹說:「在上述這些措施的基礎上,* 我們還在國際上首次採用了基於配平翼的彈道 - 升力式進入方案,以降低火星大氣參數不確定性帶來的風險,提高適應能力 *。」

減速過程先後經曆氣動減速、降落傘減速、動力減速 3 個階段:

整個過程天問⼀號將約 2 萬千⽶ / 時的速度降⾄ 0 ⽶ / 時,用時約 7 分半。雖然此前我國已有⽉表著陸經驗,但此次天問⼀號⽕星軟著陸任務更加艱難。⼀⽅⾯⽕星表⾯存在⼤⽓,⼤⽓密度約為地球表⾯⼤⽓密度的 1%,此外,火星表面地形複雜,遍佈岩石、斜坡、溝壑等障礙物,火星塵暴較地球也更加嚴重。這些因素給著陸火星帶來了極大難題,著陸風險非常高。另⼀⽅⾯,⽕星距離地球更加遙遠,最遠 4 億公里,通信時延單程達到 20 分鐘左右,因此整個著陸過程相距遙遠的地球來不及做任何處置,只能靠天問⼀號⾃主完成,經曆未知的 7-9 分鐘。

首次火星探測任務工程總設計師張榮橋在看到天問一號探測器成功著陸火星後激動地落下了眼淚。這一幕被國家航天局的工作人員記錄了下來。

接下來的任務

天問一號探測器由環繞器和著陸巡視器組成,著陸巡視器包括 “祝融號” 火星車及進入艙。成功著陸後,進⼊艙和⽕星⻋會先後完成坡道及太陽翼天線展開,祝融號將在第⼀時間將成功展開的消息傳回地⾯。⼀切準備就緒後,祝融號將⾃主駛離進⼊艙,抵達火星表面,開始新的征程。

除了常規的通信、能源、⽀撐結構、動⼒系統等部分,「天問⼀號」整體上攜帶了 13 種科學載荷,其中 6 台分佈在⽕星⻋上,分別是多光譜相機、次表層探測雷達、⽕星表⾯成分探測儀、⽕星表⾯磁場探測儀、⽕星⽓象測儀、地形相機。它們共有五⼤使命,主要涉及⽕星空間環境、地表形貌特徵、⼟壤表層結構等研究,將給中國帶來⽕星的第⼀⼿資料。

未來至少三個月內,「祝融號」都將在火星表面執行任務,開展地表成分、物質類型分佈、地質結構以及火星氣象環境等探測工作。而在軌運行的「天問一號」還將成為祝融號與地球之間的通訊中繼站。

當然,正如其他航天器一樣,屆時如果狀態良好,「祝融」將不斷延壽繼續服役。

參考鏈接:

https://www.theverge.com/2021/5/14/22436072/china-tianwen-1-mars-landing-zhurong-rover

https://www.sohu.com/a/466528964_260616

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