中国天问一号登陆火星:是怎么到达火星表面的?

2021年03月25日非诚

中国天问一号登陆火星:是怎么到达火星表面的? 经过费力才得到的东西要比不费力就得到的东西叫能另人喜爱。一目了然的真理不费力就可以懂,懂了也感到暂时的愉快,但是很快就被遗忘了。 —— 薄伽丘

再过几天中国的第一枚火星探测器“天问一号”就将踏上火星的征程,它将开启多个第一,其中最引人瞩目的任务是第一次进入火星轨道就直接登陆火星,这是以往任何一个国家或者组织都没有尝试过的任务!“天问一号”如何登陆火星,它将经历如何的过程,将展开怎样的任务,且听种花家一一道来!

中国的第一个火星探测器

其实“天问一号”并不是中国的第一个探测器,真正的第一应该颁给出师未捷身先死的“萤火一号”,这是中国首次与欧洲和俄罗斯展开的国际深空合作计划,中国将按俄罗斯“福布斯-土壤”号的空间,开发一个“萤火一号”的探测器,搭便车前往火星!

2011年11月8日,天顶-2SB运载火箭搭载着俄罗斯的“福布斯-土壤”以及中国的“萤火一号”,在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场第45号工地第一发射台成功发射升空,原计划将于2012年9月到达火星轨道并释放萤火一号绕轨飞行,而主探测器则计划在火卫一南纬5°至北纬5°、西经230°至235°的区域内软着陆,采样后返回地球,在哈萨克斯坦境内着陆!

但“福布斯-土壤”号在脱离助推器,成功进行第一次变轨后打算第二次变轨前定向系统发生故障,变轨失败,原因是芯片遭受辐射损坏崩溃,剩余燃料理论上可以完成任务但难度极高,之后尝试变轨多处,但最后轨道衰减,于2012年1月15日坠入太平洋,中国第一次火星探测魂断蓝天!

天问一号和它的任务们

2016年1月11日,中国国家航天局立项火星探测,计划将使用长征系列火箭作为运载火箭,嫦娥一号总设计师,中国科学院院士建议中国第一次火星探测即完成绕、落等两项探测任务,这是以往没有任何一个国家在一次任务中同时完成这两项关键任务的,因此此次火星探测颇引人关注。

天问一号飞行状态

天问一号分为轨道器、着陆器和巡视器组成,总重量约5吨,轨道器质量为3.175吨,巡视器则为240千克,尺寸:2.0 m × 1.65 m × 0.8 m,和一辆高尔夫球车差不多。分别完成火星探测和着陆巡视,将对火星土壤环境以及大气和水的分布与探测、火星生命的寻找,另外也将探测火星磁场与甲烷等与生命相关的关键信息。另外环绕火星探测的轨道器也将完成着陆车和地球之间担任中继通信任务。

着陆器结构示意图

着陆器于2019年11月14日在河北怀来的地外天体着陆综合试验场完成悬停与避障测试,完美的避开了地面的障碍物,找到了平坦的着陆场,平稳的降落到了“火星”,这是任务中最关键的巡视车第一次亮相!

任务名称来历

2020年4月份,在第五个“中国航天日”启动仪式上,中国正式发布了火星探测任务名称,“天问一号”即来源于此,按照计划探测器将于7月至8月间择机发射,一次任务完成绕、落、巡三项任务!

火星在地球轨道外侧,最近距离大约5500万千米,由于两者公转速度差异,因此每隔26个月会接近一次,此时叫做火星冲日,2020又是一次火星冲日年,时间是2020年10月13日,最近距离是0.4192天文单位,大约6000万千米左右(最近的距离是大冲,要到2035年9月11日)!

探测器如何进入火星轨道?

从理论上看,向火星发射探测器并没有时间限制,但由于人类的火箭技术约束,发射探测器只能在火星冲日大约数月前发射,然后通过一个霍曼转移轨道,在轨道的顶点够着火星,然后减速进入火星轨道成为火星的一颗卫星!

从地球向火星发射探测器有几个难关,从地球出发的霍曼转移轨道变轨成功,这是第一步,减速进入火星轨道这是第二步,从火星轨道穿过火星着陆这是第三步!“萤火一号”搭载在俄罗斯探测器上就是第一步失败!

而美国早期都是掠火探测,也就是探测器从火星掠过,未做入轨尝试,早期控制技术不够成熟,在后期则都以入轨为目标,美国1992年9月25发射的的火星观察者号点火减速时失去联系,入轨失败。九十年代多个火星探测器都以失败告终,包括日本的希望号探测器、美国的火星气候轨道器、火星极地登陆者和深空2号!

“天问一号”将用7个多月到达火星,预计到明年2月11日至2月24日探测器就将进入火星环绕轨道,然后在这个轨道上对着陆区域进行详细探测,彻底了解着陆区周围的地形,挑选可以作为降落区域的位置与备用区域,伺机登陆火星!

探测器如何登陆火星?

探测器在选择好登陆场地后,它将与轨道器分离,在远离着陆点数百千米外的轨道上即开始减速向着陆点进发并且逐渐降低高度,通过早期的火箭制动和进入大气层后的大气制动,速度逐渐下降到每秒460米左右!

第二阶段则是超音速下开伞,将速度从超音速减速至95米/秒,因为火星大气层非常稀薄,大约只有地球的1%,因此超音速下开伞难度极高,美国的洞察者号使用的也是超音速开伞,反推火箭悬停后机动选址着陆,天问二号的过程几乎一致,当然大家所用的技术差别可就大了!

最后阶段降落伞抛弃,因为空气稀薄无法降到足够速度,再次动力减速,下降到3.6米/秒,在100米高度上悬停,寻找平坦的着陆场地,最后确定位置后移动到着陆场降落!

降落过程和洞察号是类似的

任务内容和展开

火星车到底是不是叫赤兔估计还没有官方宣布,但种花家估计赤兔最有可能入选。我们下面就以赤兔来称呼火星巡视车!软着陆成功后并不会马上释放火星车,而是要观察一下,待了解周围状况后再行释放,关于这点我们已经有两次月球车的释放经验,应该是轻车熟路了!

赤兔的设计寿命是90个火星日,其实和地球差不多(大约92个地球日),不过根据此前美国几辆火星车的超长寿命来看,赤兔估计要在火星上跑好多年,也许到2030年后中国继续发射采样返回的“天问二号”时,赤兔还在欢快的跑呢!

巡视车火星表面工作状态

月球上有快半个月的月夜,火星上一昼夜则和地球差不多,但却可能有沙尘暴,因此火星车也可能有休眠时间,而这个时间就要看沙尘暴持续时间了,而巡视车的能源也主要是太阳能,火星日照比较弱,所以对于任务的执行还是有相当影响的。

赤兔火星车任务概况

火星车搭载了地形地貌的导航相机,还有探测火星土壤结构和水兵的探地雷达和火星表面成分分析测试仪和多光谱相机,以及火星表面磁场探测的探测仪和火星气象测量仪!

如果顺利的话,明年二月份赤兔火星巡视车将预报火星天气!

火星快车长征五号(CZ-5)

7月20-25日,比较有可能则是23日,海南文昌航天发射场101发射工位,长征五号将搭载天问一号飞往火星!大家都称呼长征五号为胖五,足见对长征五号的喜爱与关心,因为它是未来十几年的深空探测的最重要的运载火箭!

2016年11月3日,胖五首发成功发射,但在2017年7月2日的第二次发射起飞后346秒,芯一级的一台YF-77发动机液氧泵发生严重故障,延迟分离,未能入轨,发射708秒后连同载荷一起重返大气层彻底烧毁,发射失败!

2019年12月28日,长征五号遥三运载火箭发射成功,经过数次改进终于发射成功,让全国人民动松了一口气,胖五终于发射成功,而且今年长征五号乙运载火箭也已经在5月5日完成首飞,胖五系列已经稳定。而未来将有十几项深空任务等待着胖五大显神威呢!

未来的天问二号

天问一号成功以后,火星计划中的绕落回中最关键的火星采样返回计划也将提上日程,二号中除了轨道器和着陆器以及巡视器以外,还有上升器和返回舱,返回器的结构和嫦娥五号中的采样返回任务为基础,将针对火星环境做了一些适应性的调整!

任务预计在2028-2030年执行,同样将在海南文昌发射,第二年将抵达火星,着陆后将火星岩石采样置入上升器,并点火重新返回火星轨道与轨道器对接,并将样品转移到返回舱,然后与上升器分离后轨道器将点火离开火星轨道,直接将轨道调整为火星-地球转移轨道,大约半年后进入地球轨道,然后返回舱与轨道器分离,重返大气层,预计将在内蒙古着陆场降落!

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