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火星探测系列之三

​火星探测很难,为什么?

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发布时间:2020-08-13 15:50:13

来源:群众新闻

火星探测任务一般可分为环绕、着陆和巡视三类。环绕任务,即发射环绕火星运行的探测器,例如欧空局火星快车号、NASA的火星勘察轨道器;着陆任务则是使探测器着陆到火星上去,例如美国宇航局的凤凰号、洞察号探测器;巡视任务即能够在火星上进行巡视勘探的火星车,例如美国宇航局的旅居者号、勇气号、机遇号和好奇号火星车。

1960年,苏联向火星发射了火星1A号探测器,它是人类探测火星的开端。1964年,美国成功发射水手4号火星探测器,它是历史上首个成功到达火星的探测器。从1960年的火星1A 号到2018年的洞察号,人类共进行了45次火星探测任务,包括环绕、登陆、巡视任务,其中成功和部分成功22次,成功率仅有50%左右。那么,火星探测为什么这么难呢?

探测器发射窗口少。月球探测每年都有窗口期,而火星距离地球非常遥远,每隔约26个月才有一次“火星探测窗口”,因此一旦错过窗口期,就只能再等两年。

测控和数传面临的困难大。深空探测器的测控通信需要面临距离遥远带来的一系列问题,探测器测控通信通常采用无线电信号进行信息传输,而无线电波以光速向外辐射,强度按照传播距离的平方衰减,故距离信号的发射源越远,强度越低。

火星探测器和地球之间的距离非常遥远,最远达到4亿公里,是地月距离的1000倍。探测器发射的信号,通过遥远的距离传输到地球上的时候,信号强度已经严重衰减,通常采用更大口径的天线来接收微弱的信号。

在探测数据的接收方面,我国拥有在密云的50米天线、40米天线和在昆明的40米天线等。火星距离地球遥远,来自火星探测器的信号非常微弱,为了适应我国首次火星探测的任务需要,中国科学院国家天文台专门在天津武清新建了一台70米口径的高性能数据接收天线。

信号传输时延长。月球探测的单程通信为1.3秒左右,基本上可以达到实时通信。而火星探测的最远单程通信时间为22分钟,地面人员不能及时对探测器进行控制,因此对探测器的自主控制提出了更高的要求。尤其是在降落火星时,仅仅7分钟之后探测器就将从环绕轨道降落到火星表面,测控人员根本来不及对探测的运行状态进行判断从而进行修正,只能依靠探测器自身的控制判断来进行着陆。

此外,深空测控通信的难点还有信号传播环境复杂、高精度导航困难等。

抵达火星难、着陆火星难。由于人类目前的运载火箭能力有限,不能运送太大的探测器到火星,所以探测火星的目标之一就是消耗最少的燃料,尽可能将更大质量的探测器送往火星。借助“霍曼转移轨道”,就可以使探测器在从地球飞往火星的过程中消耗最少的能量。

同样由于火星距离遥远,在探测器的多个月飞行过程中,会受到太阳系内多个天体的扰动,还有太阳风、空间辐射等复杂的影响,需要考虑的因素更多。火星距离地球最远为4亿公里,需要更高的轨道设计要求,轨道偏差一点,到了4亿公里都会被放大很多。

探测器抵达火星附近之后,需要被火星引力捕获才能环绕火星运行。而火星质量小、引力影响范围小,所以探测器在进行近火制动之后需要准确进入环火轨道,稍有偏差就有可能与火星擦肩而过或是在火星大气中焚毁。

登陆火星是最难的。火星探测器登陆对于减速要求更高,我国的月球探测在距离月面15千米的高度开始减速,将速度从1.7千米/秒减速到0,而火星探测需要在100千米左右的高度从4.8千米/秒减速到0。火星探测器的信号从火星传到地球需要几十分钟,而探测器从运行轨道着陆到火星只需要7分钟,因此地面人员无法干预探测器的着陆过程,完全依靠探测器自身来控制选择。

探测器的着陆过程对于探测器防热措施,降落伞、气囊或缓冲发动机能否按程序工作,都有极高要求。任何一个环节出现偏差,都将导致着陆失败。因此,必须精确控制探测器的各个程序,需要经历所谓的“恐怖7分钟”,才能成功软着陆。

目前探测器登陆火星的方式主要有三种:分别是腿式缓冲、气囊缓冲和空中吊车。美国的海盗号、凤凰号和洞察号探测器均采用腿式缓冲的方式。勇气号和机遇号则是采用气囊缓冲的方式,气囊着陆适用于小型火星车,大一点的火星车就需要使用反冲发动机进行着陆。好奇号火星探测器由于质量非常大,只能采用最先进的空中吊车方式进行着陆。

(中国科学院上海天文台天之文科传团队供稿)

责任编辑:马维娜

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