天问一号火星探测器简介 天问一号火星车参数

2021年03月30日非诚

近期,我国将用“长征五号”大型运载火箭发射首枚火星探测器“天问一号”,举世瞩目。

一次发射实现“绕着巡”

“天问一号”火星探测任务的最大亮点是通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项任务,即一次完成“绕着巡”。这在人类火星探测史上是前所未有的。

采用这种“一举三得”的探火方式,起点高、效益高,但挑战大,目前只有美国完成过“一举两得”的探火方式。如果成功了,我国将在深空探测能力上实现跨越式发展,成为世界上第三个在火星着陆、第二个在火星巡视的国家。

△ “天问一号”火星车

至今,人类共实施了44次探火活动,其中完全成功的探测任务只有19次,成功率约43%;即使算上部分成功的,也仅仅只有23次,成功率约53%。所以,火星被称为“探测器坟场”。失败的主要原因是火星距离远、环境新,因此需要攻克一系列难关,每个环节都不能出现闪失,对于中国“天问一号”火星探测器来说更是如此。

为此,我国采取了多项新措施、新技术来应对挑战。

例如,发射火星探测器要用大推力运载火箭把探测器加速到至少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,否则就需要消耗探测器自身燃料和较多的飞行时间来加速,从而会影响探测器寿命。印度在发射“曼加里安”火星探测器时,就是由于运载火箭推力小,所以“曼加里安”只能采用后一种方案,多花了很多时间和燃料才抵达火星。

我国将采用“长征五号”遥四运载火箭发射“天问一号”火星探测器。由于“长征五号”的地火转移轨道运载能力是5吨,而“天问一号”的质量为5吨,所以“长征五号”是可以把“天问一号”直接送入地火转移轨道的。

中国首辆火星车全揭秘 “天问一号”总质量约5吨(图)

  到达火星后,火星车将在火星表面工作90多天,除了要进行探测作业,还会将它在亿万公里之外的所见所闻传回地球,帮助我们认识火星、了解火星。那么火星车在火星上到底是如何工作的呢?

  火星车最引人瞩目的就是竖立在前端的桅杆,顶端的方形设备就像机器人的脑袋。而顶端的方形盒子,就是火星车的“眼睛”,上面有帮助火星车避开障碍来实施前行实时探测的全景相机,还有识别矿物质成分的多光谱相机。

  在火星车上,还装有4个“大翅膀”,这正是太阳能电池板。除此之外,火星车还配有探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪,可以对火星进行全方位的探测。

  和火星车一起亮相的还有1∶1着陆平台,我国首次火星探测任务中它将搭载火星车着陆到火星地表,迈出中国火星探测的第一步。

  着陆平台,也叫着陆器,和火星车加起来是1300公斤,它载着火星车要完成进入大气减速下降、落火、延伸坡道,随即火星车就可以走到火星表面,开展探测作业。

  着陆平台载着火星车,从进入火星大气层到降落到火星地表只有短短七八分钟,却被人们称为“恐怖7分钟”,因为这过程中电磁信号是完全被屏蔽掉的,要完全依靠着陆器的自身本事。

  我们了解到,中国行星探测任务命名为 “天问系列”,首次独立自主火星探测任务命名为 “天问一号”。“天问一号”由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,总质量约 5 吨。“天问一号”火星探测任务将一次性完成 “绕、落、巡”三大任务,这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。

△ 长五遥四火箭在垂直转运中。(图源:国家航天局)

众所周知,地球和火星都是绕着太阳运行,地球在里圈运行,运行得快;火星在外圈运行,运行得慢。所以,地球与火星之间的距离是不断变化的,最近的时候有5500万公里,最远的时候在4亿公里以上。这比地球到月球的距离要远100多倍甚至1000倍。由于信号的强度与距离的平方成反比,而火星距地球太遥远,从探测器上发出电波经过几亿千米再传到地球后会十分微弱,再加上宇宙中的噪声,所以很容易把传输信号淹没掉。

△ 70米天线与火星探测器数据传输通信示意图

由于天线的直径和探测距离成正比,增大天线口径可以增加探测距离。为此,我国探火的测控通信网采用了直径较大的收发天线。这次参与遥测、遥控“天问一号”火星探测器的深空测控系统主要有黑龙江佳木斯66米直径天线测控站和新疆喀什35米直径天线测控站等,以及甚长基线干涉测量(VLBI)分系统和必要的国际联网等。我国还在天津武清新建了一个主反射面直径70米的高性能接收天线,这是亚洲最大的单口径全可动天线,它能可靠地接收“天问一号”发回来的科学数据,并进行处理、解译和研究。

△ 4月25日,由中国科学院国家天文台承建的首次火星探测工程地面应用系统在天津武清站成功实施,完成了70天线反射体的整体吊装。

攻克“恐怖7分钟”难关

探测器在火星表面软着陆是火星探测中最难的,要经历“恐怖7分钟”,先是气动减速段,然后是伞降减速段,接着是动力减速段,最后是着陆缓冲段。这几个阶段都必须严格按程序执行,否则“满盘皆输”。

为了安全着陆火星,2019年11月14日,我国在位于河北怀来亚洲最大的地外天体着陆综合试验场,成功模拟了着陆器在火星重力环境下(火星重力加速度约为地球的1/3)悬停、避障、缓速下降的过程,对其设计正确性进行了综合验证,也为火星探测任务的如期实施奠定了坚实的基础。

由于火星环境复杂、恶劣,探测器在着陆后也不是万事大吉。例如,因为火星探测器远离太阳,它所受到的太阳辐射强度大大减弱;而且火星上温度很低,赤道上的平均温度只有-23°C,这些对火星车的能源系统、温控系统等提出了很高的要求。

据我国火星车专家贾阳撰文介绍,我国火星车除装有光电转换效率较高的4块太阳电池板外,在其顶部还装有一个像双筒望远镜样子的设备,叫作集热窗,它可以直接吸收太阳能,然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天,火星温度升高,这种物质吸热融化,到了晚上温度下降,这种物质在凝固的过程中释放热能,这样效率可以达到80%以上。

探索人类未来“第二个家园”

火星是太阳系中与地球最相似且距离较近的行星。例如,火星的一天约为24.6小时,与地球十分接近;火星自转轴与公转轨道面倾角约为65°,所以存在四季变化,这也和地球相似;火星大气很稀薄,以二氧化碳为主,压力大约只有地球的1%;虽然火星表面温度平均仅为-63℃,但夏天阳光直射区域温度可以上升到约20℃,赤道附近的极端最高温度则有可能达到30℃左右。

因此,从全人类的高度讲,探测火星、了解火星的起源和演化,有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化,预测地球的未来变化趋势,促进人类对地球生命乃至太阳系的起源和演化的研究,以及了解人类在宇宙中的地位和最终命运。

了解火星本身也很重要。因为大量迹象表明,火星以前很可能与目前的地球一样,只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭等今天这个样子。所以不少天文学家推断,火星可能是地球的未来。因此,深入探测、了解火星,对研究地球的演变,防止它变成人类难以生存的家园具有促进作用。

从更长远看,地球将来很有可能会遭受地外星球的撞击而毁灭。因此有些科学家认为可先把火星改造成适合人类居住的第二个家园,然后向火星移民。为此,现在就必须逐渐全面而深入地了解火星才行,为改造火星、建造火星基地奠定基础、做好准备。所以,探测火星意义重大。

天问一号登陆火星前 不妨先来一睹这颗红色星球的风采

  火星,一颗令人难以捉摸的红色行星,从来都是人们夜观星空的焦点之一。在亚述(古代西亚奴隶制国家),火星被称为“流血的星”,是死亡、不幸和灾难之神的化身。古希腊和古罗马人则把它视为战神。而中国古人对它的称谓——荧惑,似乎更能体现其特点:荧荧似火而又行踪不定,最让人捉摸不透。

  这段时间,火星探测又掀高潮,各国探测器将陆续登陆这颗红色的星球,我国天问一号火星探测器刚踩了一脚“刹车”,将于不久后抵达火星。在天问一号登陆火星前,我们不妨走出家门,“先行一步”看看这颗近日的“网红”星球。

  “黑科技”帮忙捕捉火星踪迹

  观测火星之前,我们首先需要知道火星的位置。行星之所以叫行星,就是因为它们在星空中的位置游移不定。尤其是火星,堪称行星中最难以捉摸的,有时候它一整年的观测条件都不错,有时候却又连续四五个月都难觅踪影。这是因为火星的会合周期是所有行星中最长的,平均为780天左右,比排第二的金星会合周期长了近200天。在这780天里,大约有120天火星离太阳的角度不超过20度,在地球上很难观测到;也有差不多200天,火星离太阳的角度都在90度以上,每晚至少有一半的时间仰望星空都能见到它。

  虽然“难觅踪影”,我们还是可以依靠黑科技——手机和电脑上比较流行的星图软件,来查询火星以及其他各类天体的位置。

  2021年火星的运行情况大致为:2月底至3月份,火星在金牛座运行,日落后位于西南方天空,大约在次日凌晨落山,前半夜观测条件不错。到四五月份,火星由金牛座运行至双子座,落山时间提前至23点左右,前半夜可见。再往后,它的落山时间逐日提前。从8月上旬一直到年底,它都在太阳附近运行,就难以看到了。

  如何分辨火星和“邻居”毕宿五

  3月,天黑之后,我们向西南方向的高空望去,可以见到两颗颜色发红的亮星,在天空中相隔不到两个拳头。它们就是火星和金牛座的最亮星——毕宿五。

  这段时间火星的亮度和毕宿五差不多,两者颜色也比较接近,都呈橙黄色,火星只是显得略红一点儿。在高度上,它俩也相差不大。要想区分它们,有一个简单的方法:行星不闪恒星闪。恒星离地球非常遥远,都是点光源,当星光透过地球大气层时,由于大气抖动的影响,就会出现闪烁。而行星离地球近,是面光源,相当于由许多点光源聚集而成。各点的光虽然都有波动,但这些波动既不同时发生,也不在同一方向,会相互抵消。所以我们不会看到火星发生明显闪烁,而毕宿五则经常会“一闪一闪眨眼睛”。

  当然,我们也可以利用软件的实时星空功能,只需把手机对着天空,屏幕上会自动显示出这片天区里的天体,火星、毕宿五等天体都就会“原形毕露”。

  选对望远镜也很重要

  如果用肉眼观测,行星和恒星除了亮度和闪烁等差别外,并没有什么不同。所以,如果想要一览火星的表面风光,就必须借助于望远镜。

  城区的光污染对行星观测影响不大,但大气宁静度和透明度则是越佳越好。所以我们不必专程赶往郊外,而应该尽量选择一个无风的晴夜观测。另外,火星的视直径最大为25角秒左右(1度=3600角秒),大多数时候都只有十几角秒甚至几角秒,至少需要放大数十倍才能看到。常见的双筒望远镜都不足以胜任。

  一般的60—80毫米小口径天文望远镜,配合70倍以上的放大倍数,可以看到火星视圆面。使用口径更大、焦距更长的望远镜,能看到它两极的白色极冠,甚至还能看出南北半球的差异。火星的地势特点是南高北阔,南半球海拔更高、陨击坑多,颜色偏暗黑。北半球则几乎都是低缓开阔的熔岩平原,呈橘黄色。

  今年3月,火星的视直径只有6角秒左右,需要使用短焦距目镜或增倍镜来获得更高的放大倍数。不过倍数也不是越大越好,最大不要超过口径(以毫米为单位)的2倍,例如80毫米口径的极限放大倍数就是160倍。实际上,由于物镜、目镜的光学质量限制,很多望远镜的极限倍数甚至还达不到口径的数值。例如有的102毫米折射望远镜在100倍时,无论怎么调焦,视野里都是模糊一片。这意味着望远镜的分辨率不足以匹配这么大的倍数,分辨不出更多的细节了。

  我们在网上见到的那些漂亮火星照片,大都是把相机或网络摄像头接在望远镜后面,拍摄多张,再用软件叠加处理而成。用望远镜目视,是看不到这种效果的。而像著名的水手谷、奥林匹斯山等火星地貌,以及火卫一和火卫二等目标,更是大大超出了小望远镜的观测能力。关于这颗红色星球的更多细节,期待天问一号能给人们带来新的惊喜!

“天问一号”使用大量“黑科技”

近些年来,随着科技、经济的飞速发展,我国已在月球探测方面取得了长足的进步,为技术难度更大的火星探测奠定了坚实的基础。通过探测火星,能深化我国对火星乃至太阳系的科学认知,推进比较行星学等重大问题研究,掌握火星的第一手信息,加速我国重大原创性的空间科学成果问世,为人类全面而深入认识火星做出自己的贡献,使我国由火星知识的使用国逐步变成火星知识的产生国。

“天问一号”的环绕器携带了7台科学载荷,可用于对火星开展全球性、普查性综合探测,并为巡视器提供中继通信链路;火星车携带了6台科学载荷,可用于在着陆区开展区域性、精细性巡视探测。所以,从科学上讲,“天问一号”是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。

△ 着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测。

另外,通过“天问一号”探测火星,不仅能极大拓展我国对火星的认知,而且可以牵引和带动我国航天和相关高科技技术的快速发展。这次火星探测起点很高、难度极大,必须采用许多新技术才行,因此它带动了不少新技术、新材料和新器件的发展,促进了大批创造性的发明和技术应用。

据悉,在“天问一号”火星探测器中,就使用了我国独立自主研发的多项“黑科技”,例如,火星车使用的热控材料是新型保温材料——纳米气凝胶,它很轻,隔热性能很好。这些新技术、新材料和新器件等反过来又可用于国计民生,为国家经济社会发展、人类生活质量改善提供源源不断的创新活力。

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