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            剛剛!中國航天器首次登上火星

            2021-05-15 10:11:42 來源:EETOP

            今天(5月15日)清晨,我國“天問一號”火星探測器著陸平臺攜帶著祝融號火星車穩穩降落在首選落點——火星北半球的烏托邦平原(東經109.7度,北緯25.1度),標志著我國首次火星探測任務成功著陸。

            著陸過程“步步驚心”全程靠“自主”!

            自此,繼蘇聯和美國之后,中國成為了第三個成功著陸火星的國家。

            天問一號成功著陸

            著陸點

            為了這一天,這輛以中國神話傳說中火神命名的小車,從地球出發跋涉數億公里而來,繞著火星等待了足足三個多月。

            據航天科技集團五院“天問一號”探測器產品保證經理饒煒介紹,“天問一號”探測器自2020年7月23日成功發射,精確入軌后,已按預定飛行程序在軌飛行了約295天;自2021年2月10日成功環繞火星后,相繼完成了著陸區預探測、軌道維持、自檢等關鍵飛行控制任務,期間,能源平衡,狀態穩定,各分系統工作正常。

            5月15日凌晨2時多,“天問一號”在火星停泊軌道上進入著陸窗口,隨后探測器實施降軌,環繞器與著陸巡視器開始器器分離,繼而環繞器升軌返回停泊軌道,著陸巡視器運行到距離火星表面125千米高度的進入點,開始進入火星大氣,并最終軟著陸在火星表面。

            “天問一號”火星探測器從火星大氣層外緣通過軟著陸的方式降落到火星表面,整個著陸過程步步驚心,技術十分復雜。

            天問一號著陸過程解析

            著陸過程大致分為以下幾個步驟。先是探測器瞄準進入火星大氣層的一個狹窄的進入走廊,接著氣動減速,然后火星專用降落傘展開;待降落傘完成使命后,探測器拋掉大底和背罩,露出著陸平臺和火星車;大推力發機動開始工作,探測器觀察地面,尋找最安全的具體著陸地點;最后四條著陸腿穩穩降落在火星表面。

            整個過程,短暫又復雜,地面完全沒有干預的機會,完全靠“天問一號”自主決定各個動作執行的時機。

            更詳細的著陸過程,按目前公布的時序來看,天問一號整個著陸過程經歷六個階段,從第二階段直至著陸大約需要8-9分鐘:

            1)著陸準備段:環繞器調整姿態和軌道,與裝著著陸巡視組合體的氣動外罩分離;

            天問一號成功著陸

            圖源:科普中國/Kerwis團隊

            2)氣動減速段:氣動外罩以4.8公里/秒的速度和合適的角度進入大氣層,利用大氣摩擦減速到460米/秒;

            天問一號成功著陸

            圖源:科普中國/Kerwis團隊

            3)傘系減速段:在約11公里高度處打開降落傘,利用降落傘進一步減速到約95米/秒。這一階段內還會完成一系列操作,包括拋掉底部隔熱盾,打開著陸平臺的著陸腿,拋掉背罩和降落傘等;

            天問一號成功著陸

            圖源:科普中國/Kerwis團隊

            4)動力減速段:利用著陸平臺底部的7500N發動機點火產生的反沖力,將速度進一步降到約1.5米/秒;

            天問一號成功著陸

            圖源:CNSA

            5)懸停避障段:在距離火星表面100米高度處將速度減到0,達到相對于表面靜止的懸停狀態,在這個狀態下調整水平位置,避開腳下的障礙物;

            6)緩沖著陸段:依靠著陸腿緩沖,著陸平臺穩穩地落在火星表面。

            后三個階段和嫦娥三號、四號著陸過程是相似的。

            天問一號成功著陸

            天問一號的“恐怖八分鐘” | 航天科技集團

            天問一號的成功著陸,是中國航天史上新的里程碑,標志著中國已經掌握了安全著陸火星的一系列復雜技術,也意味著中國“后發先至”,在兩度挑戰火星著陸失敗的歐空局之前完成了火星著陸,成為繼蘇美之后第三個成功著陸火星的國家/組織。

            現在還只是天問一號的著陸平臺踏上了火星,等再過幾天,祝融號火星車將從著陸平臺上駛下,開展巡視工作之后,這個紀錄還能再次刷新:中國將有望超越蘇聯,成為繼美國之后世界第二個成功著陸火星并順利開展探測工作的國家/組織。

            祝融號帶了啥好東西?要做什么事?

            火星車共攜帶了六種科學儀器:導航與地形相機(NaTeCam)、多光譜相機(MSCam)、火星表面成分探測儀(MarSCoDe)、火星車磁強計(RoMAG)、次表層雷達(RoPeR)和火星氣象站(MCS)。

            注意,這里說的都是“科學”儀器,事實上探測器還會攜帶諸多工程儀器,例如避障相機、監視相機、慣導裝置等等。

            天問一號成功著陸

            祝融號火星車科學儀器大致位置?;鹦擒嚫呒s1.85米,重240公斤。圖中火星車外形與實物有一定差異

            其中,一對導航與地形相機位于火星車桅桿頂端,是火星車的“雙眼”,可以拍攝立體影像,負責幫助火星車導航和探測火星車沿途的地形地貌。

            天問一號成功著陸

            多光譜相機和表面成分探測儀負責探測和分析火星表面的巖石類型、礦物成分。

            天問一號成功著陸

            美國的好奇號和毅力號火星車各有一個炫酷的“激光炮”——它們的化學相機(ChemCam)和超級相機(SuperCam)使用了一種叫做激光誘導擊穿光譜(LIBS)的技術。

            祝融號的表面成分探測儀也用了這項技術:通過向目標物發射高能激光脈沖,探測燒蝕激發出的等離子體冷卻過程中的特征光譜,進而遠程探測出目標物的化學成分。

            天問一號成功著陸

            (左)好奇號化學相機(ChemCam)的工作原理示意圖;(右)好奇號化學相機探測目標物中含有的化學成分示例 | NASA

            祝融號火星車攜帶了2個磁強計,分別位于桅桿的頂端和底端,負責探測火星表面的磁場強度。

            火星沒有地球、水星那樣內部自發的偶極磁場,但火星的殼層還有一些剩磁。

            祝融號的探測結果既能幫助我們了解火星殼層剩磁的信息,也能與天問一號環繞器攜帶的磁強計探測結果相結合,幫助我們了解太陽風與火星高層大氣/電離層的相互作用。

            這也將是首個火星表面可移動的磁場探測儀器。

            天問一號成功著陸

            (上)火星全球探勘者號(MGS)在400公里高處獲取的火星殼層磁場分布,火星剩磁有著明顯的南北不對稱性,主要分布在南半球

            (下)祝融號火星磁強計傳感器的結構和封裝后的外觀

            次表層雷達通過主動發射和接收電磁波信號來探測火星車沿途地下的淺表層結構,例如風化層厚度、地下淺層結構、水冰分布等。

            次表層雷達主要原理是:不同物質的介電常數(可以簡單理解為讓電磁波衰減的能力)不同,因此探測器收到的從不同物質分界面反射回來的電磁波的時間和強度就會不同;反過來,通過測量到的雷達接收時間和反射強度,就可以反推這些雷達信號穿過了哪些不同的物質,每層物質有多厚。

            天問一號成功著陸

            次表層雷達的工作原理 | 中科院電子所

            與嫦娥三號、四號的測月雷達相似,祝融號也搭載了2個不同頻率的次表層雷達,高頻雷達探測淺部,低頻雷達探測深部,這樣可以兼顧探測深度和探測分辨率。

            天問一號成功著陸

            祝融號的低頻和高頻雷達天線

            除了祝融號火星車,天問一號環繞器和NASA毅力號火星車也攜帶了次表層雷達。綜合分析多個雷達的探測數據,可以幫助我們了解火星上不同區域、不同深度的次表層結構。

            天問一號成功著陸

            毅力號和天問一號環繞器的次表層雷達 | NASA、CNSA

            火星氣象站可以通過長期觀測火星車附近的氣溫、氣壓、風速、風向等氣象參數,為我們了解火星的氣象狀況,追溯火星的氣候變化歷史積累數據。

            天問一號成功著陸

            祝融號的火星氣象傳感器

            火星氣象站是火星著陸任務的常備組件,如今正在火星表面工作的好奇號火星車、洞察號著陸器、毅力號火星車,都在長期記錄和播報所在地的氣象數據。接下來祝融號的加入,會讓火星氣象網新增一個移動站點(說不定就叫“祝融站”呢~)

            本文綜合整理自:果殼網、人民網、科普中國、EETOP等

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