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祝融号火星车着陆10大问题详解

作者:admin 来源:2021-05-15 13:25:15 我要评论

问题三:为什么着陆过程是“恐怖九分钟”?火星着陆持续时间受一系列因素影响,如冲入火星大气的速度、角度、地点和时间,着陆地点的地形地貌特点(尤其是高度),着陆期间的气象条件...

问题三:为什么着陆过程是“恐怖九分钟”?

火星着陆持续时间受一系列因素影响,如冲入火星大气的速度、角度、地点和时间,着陆地点的地形地貌特点(尤其是高度),着陆期间的气象条件,具体着陆技术方案和细节等,总体着陆时间在7-10分钟不等。祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原,总着陆时间在9分钟左右,也被叫做“恐怖九分钟”。

这是因为:火星虽是近邻,但与地球的距离在5500万千米到4亿千米之间变化,远超月球。这不仅意味着一次火星探测任务动辄需要飞行7-11个月,还意味着从地球上发出信号与火星通信,至少需要6-45分钟的双向通信时延。火星大气稀薄,引力较小,整体着陆过程仅持续数分钟,期间根本不可能在地球上进行控制,这个过程必须依靠着陆组合体独立自主完成。

此外,火星半径为3400千米左右,约为地球的一半,表面引力约为地球的38%,表面空气密度不足地球海平面的1%水平,但这并不意味着着陆火星难度低。实际上,着陆火星的困难程度远远超过了月球。虽然大气可以给着陆巡视组合体带来一定的气动减速能力,但密度太低不可能减速到理想的着陆状态,最后一定需要反冲火箭工作悬停降落。为应对不可避免的大气冲击、摩擦和积累的热量,着陆巡视组合体还必须增加气动、隔热、避震等防护结构,重量、复杂度和成本等大幅度上升,风险系数也大大增加了。

因此,当地球上的航天人通过精确计算得知祝融号正在火星独立完成各项着陆操作、却不得不耐心等待信号回传时,这种焦急的体验不可谓不“恐怖”。

问题四:着陆期间,祝融号到底经历了什么?

在最终确认开始着陆指令后,着陆巡视组合体会与环绕器分离,开启独立着陆之旅。期间姿态控制发动机工作,严格控制着陆轨迹角度与方向。如果冲进火星的角度过大就会超过隔热层能忍受的极限,如果过小任务就会像打水漂一般滑入深空。

冲入火星大气后,5千米/秒级别的速度依然导致稀薄的大气冲击和摩擦产生了巨大的震动和热量,足以融化大部分金属。通过隔热大底和多种散热手段,着陆巡视组合体的温度依然能保持常温。期间速度骤降到数百米/秒,巨大的降落伞在火星上空约10千米的高度打开。

随着速度的迅速降低,已经被烧蚀得不成样子的隔热大底没有存在的必要了,对这一功臣的“回报”是:它将被抛离并直接脱落在火星表面。此时,暴露出来的底部雷达和工程相机等立即开始急速工作,紧盯目标着陆区域,分析与预计的匹配程度,让控制导航计算机快速解算最佳着陆方案。初步选定期间,速度已经降至100米/秒以内,降落伞功成身退,此时才是大戏上演的时刻。

着陆巡视组合体依靠底部强大的反冲火箭工作开始减速,各种传感器进一步仔细检查地面情况,避免乱石堆、斜坡、沟谷的特殊地貌,找寻最佳着陆角度和姿势。随着速度进一步降低至悬停避障状态,着陆巡视组合体近距离火星表面数米高。最后阶段火箭停止工作,尽力减少火箭工作扬起沙尘等因素对它们的影响,着陆巡视组合体成功降落火星表面。

众多复杂的动作,犹如在火星独自“刀尖上起舞”,稍有不慎便会任务失败,难度可想而知,了不起的成就!

问题五:祝融号怎么获取能量?

祝融号是天问一号全程呵护的“掌上明珠”。在飞行、环绕和着陆期间,环绕器和着陆器全程为它保驾护航,提供重要的通信、能量和动力服务。但是抵达火星表面后,着陆器将放出导轨,祝融号必须开机,在经历数天能量积累后,最终走出“温室”、依靠自身能力独立生存。

祝融号依靠太阳能进行工作。由于火星距离太阳更远,这里的太阳能密度仅为地球附近的4成左右,对太阳能帆板收集能量的要求极高。它使用了4片巨大的由三结砷化镓构成的“蝴蝶型”太阳能电池阵列,确保足够能量供应。同时,火星上动辄有大规模的沙尘暴,会对太阳能收集效率产生巨大影响,甚至直接影响火星车工作寿命。通过防尘涂层技术,祝融号表面的抗沙尘能力大幅提高。但对于旷日持久的全球沙尘暴,则只能是“我打不起,但躲得起”,进入休眠状态,先躲过“风头”再说。

火星表面空气极其稀薄,保温效应有限,直接导致昼夜温差过大,白天可达20摄氏度、夜晚却能低于零下100摄氏度,这对于不少仪器将是巨大挑战。一方面,祝融号必须在夜晚“熄火”休眠;另一方面,它也采用了纳米级气凝胶和正十一烷集热窗等温控技术,确保安全无虞度过漫漫长夜。

问题六:祝融号怎么运动

会动,是火星车的核心功能。

但火星上并不是一片“坦途”,随机出现的尖锐砂石会轻易破坏火星车的动力系统,且这些伤害会逐渐累积,对火星车造成巨大威胁。例如“勇气号”火星车2009年陷入沙坑,导致轮子出现故障,无法转动,一直被困到任务结束。目前正在运转的“好奇号”火星车,可能导致任务终止的最大风险之一就是逐渐残破的轮子。

祝融号的机身被设计成了可升降的主动悬架结构,能够自由转向,六个轮子均独立驱动,多轮悬空的条件下依然能自由移动。在极端地形中,祝融号还能重新设计轮子驱动方案以实现“蠕动”、“蟹行”和“踮脚”等复杂机械操作,成为一辆不折不扣的“火星六驱越野车”,以提高驾驶安全性,可以说这将成为祝融号在火星驰骋的 “风火轮”。

不过,祝融号的核心使命是科研,任何机动性能都不如“行车交规”重要。首先,严格限速,节约宝贵的太阳能。这个240千克的大家伙实际速度仅为厘米/秒级别,连乌龟都跑不过;其次,谨小慎微,“走一步,歇两步”,经常停下来利用地形相机和避障相机等详细“眼观八方” ,确认安全再出发;再次,聚精会神。要么认真行驶,要么停车让科学仪器开启工作,聚精会神,绝不“边走边玩”;最后,真的发生紧急情况陷入困境后,航天人也会在地球实验室利用火星车的“双胞胎”备份还原真实火星驾驶场景,设计多种解决方案,帮助它脱困。

不存在绝对安全的车,只存在绝对安全的交规。“行车不规范,亲人两行泪”,即使在火星,祝融号也牢记交规。


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