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几乎集齐人类所有降落技术!探测火星怎么这么难?

2019-11-21 07:25| 发布者: | 查看: 23| 评论: 0

摘要:   2019 年 11 月 14 日,中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北怀来地外天体着陆综合试验场进行。这也是中国火星探测器的首次公开亮相,国家航天局特意邀请了一些外国驻华使馆及国际组织人员前来参观。测 ...

  2019 年 11 月 14 日,中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北怀来地外天体着陆综合试验场进行。这也是中国火星探测器的首次公开亮相,国家航天局特意邀请了一些外国驻华使馆及国际组织人员前来参观。


测试中的火星着陆器(图源;央视新闻)

   试验成功模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降过程,这也基本意味着我国首次火星探测任务正在逐步成熟,能够于 2020 年择机实施。按照计划,我国将在 2020 年 7 月——“火星探测时间窗口”进行一次发射任务,抵达火星后将实现“绕”、“着”、“巡”三大任务,进行火星全球性综合探测,同时也会对火星表面重点地区精细巡视勘查,实现人类对邻居火星研究的又一次重大突破。中国人,距离首次触碰火星,越来越近了! 

  Part.1

  为什么我们选择火星?

  人类如果想要冲出地球、达到下一个行星、甚至冲出太阳系,基本只能先从火星和金星两个邻居开始。它们和地球同处太阳系内的宜居带内、同属于岩质行星、拥有孕育生命的可能性。

  然而,人类经过航天探索发现,金星环境实在太过恶劣:气压是地球的 92 倍,空气中几乎全是二氧化碳,并且布满了稀硫酸云。地表温度常年保持在 460 摄氏度,人类根本无法生存。

  相较而言,火星的条件“优越”不少,几乎是人类航天探索下一站唯一的选择。 


地球和火星尺寸对比(图源:NASA)

   第一,火星的潜在资源丰富。包括拥有太阳系第一大高山(奥林帕斯山)和第一大连续峡谷(水手号);陆地面积大,火星总表面积虽然仅有地球的 28% 左右,但需要注意,这可是纯陆地,已经接近地球上人类生存的七大洲面积总和;火星上大气虽然稀少,但是以二氧化碳为主,可以作为开发资源。

  第二,多年的科研发现,火星南北极存在不亚于地球上格陵兰岛的淡水资源,土壤中广泛存在2-3% 的水分。“火星快车”任务甚至发现了疑似地下水湖,火星也存在一定有机物分子。

  第三,火星引力较小、距离小行星带和太阳系外围空间更近,在火星上发射火箭和深空探测的总成本大大低于在地球发射,是人类未来深空探测发展中航天基地的不二之选。

  如果人类航天的未来是宇宙的星辰大海,中国人没有任何理由不去探测火星! 

  Part.2

  抵达火星有多难?近半数火星探测任务以失败告终

  早在上世纪 60 年代,处在冷战“太空竞赛”巅峰状态的苏联和美国便展开了疯狂的火星探测竞赛。但大家很快发现:抵达火星实在太难了!  


地球和火星距离变化

 首先,火星实在太远了。月球和地球的平均距离为 38 万千米,对于人类而言,已经是极其遥远的存在。但月球围绕地球运动且轨道偏心率很小,与地球的距离相对稳定。

  而火星距离地球在 5000 万——4 亿千米左右,平均距离远远超过地月距离,并且这个范围变化区间实在太大。在地球上,仅需 0.13 秒就能实现任意两点的通信,地月之间则需要 2.5 秒,可是,当地球与火星处于最大距离时,即便是光速通信也会有 44 分钟的延时。

  Part.3

  地火距离和它的变化带来了一系列新问题

  1. 探测机会难得。即便是派出人类最快的探测器前往火星,也需要老老实实等待每隔 780 天、约 26 个月出现的一次地球、火星逼近的机会,这就是所谓的“火星探测窗口”,一旦错过就需要等待两年多。

  2. 需要强力火箭。探测器要实现环绕地球运动,需要摆脱空气和一部分地球引力影响;如果想要前往更高轨道、甚至前往月球,需要摆脱更多地球引力影响;但如果前往火星,不仅需要完全摆脱地球引力、还需要摆脱太阳强大引力影响。这意味着更强大的火箭是探测火星的先决条件。 


一次标准的霍曼转移轨道

  3. 轨道设计复杂。由于人类火箭依然只能局限于化学燃料,能力有限。探测器飞往火星之旅只能选择一个叫做“霍曼转移”的方式,一种变换太空船轨道的方法,或它的略微改进版方式——“快速合点航线”。但这个过程耗时普遍在6-11 个月不等,远远长于地月之间的 3 天左右。

  同时,这些线路会受到太阳系内多个天体的扰动,还有太阳风、空间辐射等的复杂影响。此外,火星与地球并不处在同一平面内。深空探测任务往往“失之毫厘,谬以千里”,轨道设计难度可想而知。

  4. 探测器必须功能强大。一方面,探测火星的成本极高,如果只是进行简单工程验证并不值得,必须搭载各种科学仪器才能换回相应价值。另一方面,由于距离问题,探测器的深空通信、自主导航制导控制和自我故障检测修复功能等必须独立且强大,这进一步推高了成本。

  5. 抵达火星很难。探测器达到火星附近后,需要被火星引力俘获。相比较地球而言,火星只是个小不点,质量仅有地球的 10.7%,引力影响范围很小,这要求探测器必须精准切入环绕火星轨道。同时,必须拥有强大的变轨能力,能完成改变轨道、大幅增加燃料需求。抑或是采取一种“刀尖上舞者”的方案:利用火星稀薄大气摩擦减速,这个方案是典型的“玩火”。NASA 于 1998 年发射的“火星气候勘探者”号就不幸在大气摩擦减速过程中被焚毁。 


切入环绕火星轨道时不小心“玩火自焚”的“火星气候勘探者号”任务(图源:NASA)

  6. 需要复杂地面设施。火星探测任务非常遥远,且与地球通信时间极其宝贵,这要求地球上必须有全天域覆盖的强大深空通讯网络。

  因此,综合下来探测火星的难度极大,几十年来,火星探测成功的概率统计下来还不足一半。早期的成功率更是惨不忍睹,苏联在 1960-1988 年间进行了近 20 次探测任务,但没有一次取得完全成功。即便是后来占据领先地位的美国,也是在进入 21 世纪前后,才迎来比较稳定的成功。 

  Part.4

  降落火星,更是难于上青天

  而上述所说的,还仅仅是实现环绕火星的难点,要完成降落火星的任务,还需要克服一系列更复杂的问题。

  1. 火星大气。火星仅拥有极其稀薄的大气,含量甚至不足地球海平面平均密度的1%,但它却成为让科学家又爱又恨的存在。

  爱在于:虽然大气稀薄,但不像月球一样近乎真空,科学家可以利用它产生的摩擦力对探测器进行减速。

  恨在于:它依然可以产生非常多的热量,高达 2000 摄氏度。但它的密度又不足以让探测器完全减速,到最后还是需要反冲火箭发动机长期工作以实现悬停、避障、降落,也就是中国本次试验的核心技术。 


本次试验探测器在火星低重力环境下悬停(图源:中国青年报)

   因而,一个火星着陆器既需要隔热罩隔绝热量,还需要配备减速、降落伞进一步减速,同时也要反冲发动机联合工作,几乎凑齐了人类现有的降落技术,整体设计难度陡增。

  2. 能量来源。火星距离太阳更远,火星能接触的太阳能仅是地球的 44% 左右。由于长期风化,火星上沙尘非常细密,缺乏温室效应又导致火星不同区域气压差很大,进一步导致存在很强力的风,使得火星上经常出现沙尘暴,这也是导致去年“机遇号”火星车失联的直接原因。因而,火星着陆器要么选择太阳能,但要面对能量低、风险高的困难;要么选择极其昂贵的核电池,且由于火星夜晚过于寒冷,必须携带热源保温。

  3. 通信问题。受限于着陆过程带来的巨大成本和能量问题,地面着陆器不可能携带强有力、大功率的通信天线,也基本不可能直接与地球联系,这意味着它和地球之间还必须有一个“烽火台”进行“传话”,要求必须在环绕火星轨道准备一个轨道器转发信号。

  4. 自主导航。标准的火星着陆过程持续时间仅 7 分钟左右,这甚至不足以完成一次地火通讯,这意味着全程超过 1000 个动作的降落过程必须依靠探测器自主完成,对软件和硬件的要求极高。 


好奇号火星车降落火星过程自主完成了超过 1000 个动作(图源:NASA)

   5. 科研问题。定点着陆器有一个显而易见的缺点:不能动。因而,能够移动的火星车毫无疑问能大大丰富火星着陆任务的探测范围和科研产出。但火星车实现自身着陆难度非常难、成本过高,需要根据任务目标和预算综合考量。

  因而,降落火星的难度,远远超过“上九天揽月”。 

  Part.5

  中国做了哪些准备?

  相信读到这里,大家一定已经充分理解了探测火星是一件多么困难的任务,一旦成功又将是多么伟大的成就,尤其是火星着陆任务。在大家看到 11 月 14 日这条新闻前,航天人已经为之做了无数的努力。

  1. 火箭方面:2015 年,最强火箭长征五号已经实现突破,目前正整装待发;

  2. 轨道设计方面:2012 年,嫦娥二号探测器已经实现过飞越日地拉格朗日点(指卫星受太阳、地球两大天体引力作用,能保持相对静止的点)、飞越图塔蒂斯小行星和进入深空 7000 万千米的壮举;

  3. 着陆技术方面:在有大气情况下着陆,已经有了神舟1-11 号飞船验证;在无/稀薄大气情况着陆,已经有了嫦娥三号和嫦娥四号任务;

  4. 深空通信地球方面:深空通讯网已经初步建成,还有万吨级远望号航天测量船辅助;

  5. 深空通信中继方面:2018 年中国发射了人类唯一的地月通信中继卫星“鹊桥号”;

  6. 火星车方面:中国已有了玉兔号和玉兔二号月球车,其中玉兔二号已经工作近 1 年;

  等等。 


中国 2020 年火星探测器组合体概念图(图源:国家国防科工局)

   在这些周密的准备下,2020 年中国火星探测任务终于迎来了目前的核心测试。按照计划,它将在 2020 年7-8 月的火星探测窗口从新建的海南文昌火箭发射基地乘坐长征五号,出发前往火星,同时实现“绕”、“着”、“巡”三步骤的任务。

  1. 轨道器主要负责将系统整体切入环绕火星轨道,进行全球勘探科研。用来研究火星全球磁场、表层元素、大气和中性粒子、全球地貌(高程)等,同时作为地面着陆系统的通信中继系统。 


中国火星探测着陆器和火星车组合方案(图源:国家航天局)

   2. 着陆器主要负责软着陆过程,降落在火星表面,同时分析着陆点附近的情况,另一主要目标是释放火星车。


中国火星车概念图(图源:国家航天局) 

  3. 巡视器/火星车:自由巡视火星表面细节。包括,火星车底部装有地表穿透雷达,可以研究火星土壤深处的元素分布情况。磁场感应设备,可以确认着陆和巡视区域的地表磁场情况。此外,重头戏将是研究巡视区域的土壤和岩石主要成分,查看常规的水、元素构成,同时,有机物也是一个需要搜寻的目标。作为一个整体的系统,火星车也会携带有导航、避障设别、微距相机等,为我们带来更多火星表面的细节。通讯设备、太阳能电池板、电池也是基本组成。

  从整体组成来看,中国这一套组合有一定必要性,尤其是轨道器和着陆器的配合。此前中国已经有了“鹊桥号+嫦娥四号+玉兔二号”在月球实践过的工程经验,这套装备也有足够的工程可行性。然而,将它们融合且前往火星,也意味着难度会很大,如果顺利实现,我们将创造人类火星探测史的新高度。就像嫦娥四号和玉兔二号是人类首次着陆月球背后的壮举一样,中国火星探测或许将再一次令世人惊叹。

  踏上火星,距离人类成为可跨越行星生存的物种将又进一步。我们期待这一天的到来!

  出品:科普中国
  制作:太空精酿
  监制:中国科学院计算机网络信息中心


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