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被称为“探测器坟场”成功率仅有50%的火星探测究竟难在哪儿?

发布时间:2019-06-07 06:39 来源:未知 编辑:admin

  北京时间11月27日凌晨3时54分,洞察号探测器在火星着陆,成为继“好奇号”之后,NASA时隔6年又一次成功登陆火星的探测器。与以往探测火星表面和大气的探测器不同,它将专门探测地表以下,首次对火星进行深入的“体检”。

  当“洞察号”成功着陆后,NASA任务控制大厅欢声雷动,提心吊胆了6个多月的任务团队,终于能缓一口气,放心地按照传统享用幸运花生。尽管人类已多次造访火星,但这一旅途仍遍布艰险。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向科技日报记者介绍,登陆火星任务分为发射、巡航、下降和着陆、表面操作四个阶段,尤其是下降着陆风险最大,不少探测器都在这一阶段“阵亡”。人类迄今为止共发射40多个火星探测器,成功率仅为50%左右,因而有人把火星称为“探测器坟场”。

  火星距离地球最近时也有大约5000万公里,而探测器抵达火星需要飞行几亿公里,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都有很高要求。

  庞之浩说,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,把探测器加速到每秒11.2公里的第二宇宙速度,直接进入地火转移轨道,否则需要消耗探测器自身燃料和更长的飞行时间加速,会影响探测器寿命。

  印度2013年发射的曼加里安号火星探测器,正是由于运载火箭推力较小,使探测器花了很长时间和燃料才到达火星。而在我国公布的火星计划中,将使用目前推力最大的长征五号火箭实施发射。

  由于距离遥远,通信也非易事。庞之浩说,从地球发送到火星的无线分钟,这需要探测器具有很强的自主控制能力。同时为了应对信号衰减问题,探测器需要装有高增益、高可靠通信设备,地面也要有直径很大的深空测控天线,以免探测器因通信故障而“迷失”。例如美国1992年发射的火星观测者轨道器,就是在即将进入火星轨道时失联。

  相比月球探测器,火星探测器要进行更多次、更精确的轨道修正,才能准确到达目的地。庞之浩说,如果探测器在地火转移轨道近地点有每秒1米的速度差或1公里的高度差,到达火星附近时的位置误差可达10万公里。美国“勇气号”在降落火星前,先后修正了4次航线。

  探测火星途中,还要注意太阳风暴的影响。日本首个火星探测器“希望号”原计划2003年12月14日进入火星轨道,但其电路系统受太阳风暴影响出现故障,变轨发动机无法启动,最终导致任务失败。

  洞察号到达之前的火星着陆版图。数据来源:MOLA,制图:haibaraemily

  靠近火星后,探测器需要精准地进入火星轨道,这一动作被形容为“从巴黎打一颗高尔夫球,一杆落入东京的球洞”。庞之浩说,探测器切入火星轨道过程中,如果切入点离火星略远,则无法被火星引力捕获;如果切入点太近,则可能闯进火星大气层坠毁。1999年,美国火星气候轨道器在入轨时,因混淆英制和公制单位造成导航误差,导致其距离火星太近而被烧毁。

  庞之浩说,进入火星大气时,探测器能接收到的遥测信号十分微弱;当它运行到火星背面,地球上无法准确获取其轨道参数。加上通信延时影响,因此火星着陆过程完全需要探测器自主完成。

  这一阶段,探测器的防热措施是否可靠,降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作都至关重要,整个过程被称为“恐怖7分钟”。许多探测器在此功亏一篑。

  原计划1999年12月3日在火星着陆的美国火星极区着陆器,由于软件错误导致减速发动机过早关闭,最终撞毁。

  2003年12月,欧洲猎兔犬2号着陆器与火星快车轨道器分离,准备在火星着陆时失踪了。后来发现,“猎兔犬2号”着陆后太阳电池板没有完全展开,无法获取电力。

  2016年10月20日,欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”也在着陆前与地面失联,原因是一个仅1秒的计算失误,造成降落伞与防热罩提前分离,导致其撞毁。

  即使能平安着陆,火星复杂、恶劣的环境也可能让探测器“阵亡”。庞之浩说,火星大气密度只有地球的1%,因而辐射严重;风暴有时能达到地球上12级台风的6倍,持续长达半年。美国机遇号火星车今年因沙尘暴而停止工作,目前“生死”不明。

  庞之浩说,一是气囊弹跳式。这种方式简单、成本低,但只能满足重量较小探测器的着陆要求,且着陆精度不高。美国“火星探路者”“火星漫游者”(勇气号和机遇号火星车)就是采用降落伞+气囊弹跳方式。

  二是反推着陆腿式。该方式较复杂、成本高,但能满足重量较大探测器的着陆要求,且着陆精度较高。美国“海盗号”“凤凰号”“洞察号”,以及欧洲的“猎兔犬2号”“夏帕雷利”均采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式。

  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,并能精确着陆。携带好奇号火星车的美国“火星科学实验室”就采用了降落伞+缓冲发动机反推+空中起重机方式。

  迄今为止所有的火星着陆器全部采用刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞方案,完成超声速减速工作。2012年在火星表面软着陆的“好奇号”是至今质量最大的火星着陆器,达960公斤。

  庞之浩说,“好奇号”已经把这项减速技术所能承受的重量推到极限,而未来载人火星任务涉及的重量将达到20吨以上。

  由于火星密度太小,载人火星飞船的重量过大,现有的三种着陆方式都无法使用。为此美国正在研制新的火星着陆装置——“低密度超声速减速器”。庞之浩介绍,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,以增加空气阻力,将着陆器的速度减至2马赫。此时直径33米的巨型超声速环帆降落伞打开,帮助着陆器安全着陆。

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