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科技日报:探测器着陆火星到底有多难

2018-11-29 16:25:51 来源:郑州经济发展网 作者:

  经过逾6个月的飞行,美国“洞察”号火星探测器计划于11月26日在火星着陆。“洞察”号执行人类首次探究火星“内心深处”奥秘的任务。这个有着“三条腿、一根手臂”的客人抵达火星表面以后,将展开两个圆形可折叠太阳能板,伸展机械臂,利用地震调查、温度测量等方法,去了解火星的内部结构,探究火星地震和火星内核的奥秘。“为什么每颗行星都有与众不同的特点,这些答案都在行星早期历史的细节中”。美国宇航局专家说。

  路途漫漫且环境险恶

  火星被称为“探测器坟场”,因为至今人类已发射了40多个火星探测器,而成功率仅约50%。主要原因是火星距地球遥远,探测器要飞几亿千米才能到达火星,所以对发射、轨道、控制、通信和电源等不少技术都提出了很高的要求。

  例如,运载火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是火星探测的重要前提,最好用大推力运载火箭把探测器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度,直接进入地火转移轨道飞往火星。

  通信问题也不是易事。从地球发送到火星的无线电信号延时很长,单程需要20分钟左右,因此火星探测器需有较强的自主控制能力;另外,由于信号的强度与距离的平方成反比,距地球太遥远的火星需要装有高增益、高可靠通信设备,以及必须拥有天线直径很大的地面深空测控网以增加探测距离。即使这样,还是有不少火星探测器因通信故障而失踪。

  由于路途漫漫,火星探测器在飞往火星的途中要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道修正。美国“勇气”号火星车在降落在火星表面前,先后修正了4次航线。

  太阳风暴的影响也须警惕。日本首个火星探测器“希望”号就是受到太阳风暴影响,电路系统出现故障,变轨发动机无法启动,最终导致探测器不能切入火星轨道而告失败。

  火星环境复杂、恶劣,也是造成火星探测器经常“阵亡”的主要原因。火星大气密度只有地球大气密度的1%,因而辐射严重,沙尘暴也很大,有时是地球上12级台风的6倍,且可持续达半年,今年美国“机遇”号火星车就是因沙尘暴而停止了工作。

  着陆火星难上加难

  探测器进入火星轨道的难度,被比喻为从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。这是由于通信延时很长,所有数据都要提前注入。

  如果探测器要在火星表面着陆,难度就更大了。因为在探测器进入火星大气时离地球很远,遥测和遥控信号比较微弱;另外,当探测器运行到火星背面时,地球上无法准确地确定其轨道参数,这就给再入高度的选择带来困难。由于受通信延时的影响,所以在火星着陆的全过程中,一切都要靠探测器自主进行。

  进入火星大气层后,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,都必须非常精确,整个过程被称为“恐怖7分钟”。

  所以,探测器在火星着陆的每个环节都不能有闪失。许多探测器都因为小细节功亏一篑。

  着陆方式各有千秋

  目前,探测器在火星的软着陆方式主要有三种,每种方案都各有优缺点。

  一是气囊弹跳式。这种方式比较简单,成本低,但只能满足重量小的探测器软着陆要求,且着陆精度不高。

  二是反推着陆腿式。这种方式复杂一些,成本高,可满足重量较大的探测器软着陆要求,着陆精度较高。

  三是空中起重机式。这种方式最为复杂,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,能精确着陆。

  如今,所有的火星着陆器全部采用刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞的减速方案来完成超声速减速工作。2012年在火星表面实现软着陆的“好奇”号火星车是至今质量最大的火星着陆器,达960千克。

  而未来的载人火星任务涉及的重量将达到20吨以上,因此现有的3种着陆方式都无法保证大质量航天器安全软着陆。

  为了完成未来的载人登陆火星任务,美国正在积极研制新的火星着陆装置——“低密度超声速减速器”。当着陆器以大约3.5马赫的速度进入火星大气时,该装置能像夏威夷气鼓鱼一样迅速充气,以增加表面积,进而增加空气阻力,使着陆器的速度减至2马赫。此时,直径33米的巨型超声速环帆降落伞打开,帮助火星着陆器安全着陆。

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