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中国成功登陆火星!这12个问题一定要搞清楚

2021年5月15日凌晨,在经历了296天的太空之旅后,我国首个火星探测器“天问一号”在火星停泊轨道上进入着陆窗口,随后“天问一号”探测器实施降轨,其环绕器与着陆巡视器(包括“祝融号”火星车及进入舱)开始分离,最终“祝融号”成功降落在火星北半球的乌托邦平原南部,成为中国首个火星巡视器!而环绕器则升轨返回停泊轨道,成为中国首颗人造火星卫星,为着陆巡视器提供中继通信。

至此,中国成为继苏联、美国后第三个真正“踏上”(成功着陆)火星的国家,也是首次火星探测即实现着陆的国家!

据介绍,天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术,实现了我国首次地外行星着陆,是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

下文就带你详细解读十二大疑问,全方面了祝融号的着陆之旅以及对中国乃至世界航天的意义。

问题一:为什么要登陆火星?

人类对于宇宙的探索自古就有,但是要说到对于宇宙认识的快速发展,还是在工业革命以来的几百年时间。随着人类技术的进步我们不断地向太空发射卫星、发射探测器,以及发射载人飞船。人类这所有的努力无非围绕着两个目的而展开,第一个目的是探寻地球之外的生命,研究生命的起源;第二个目的是希望将来人类能够走出地球,移居开发其他星球。

为了上述两个目的,以目前人类的科技水平,我们可能只能把更多的精力放在太阳系以内天体的研究,特别是对于太阳系八大行星以及他们的卫星们进行研究。除地球以外,太阳系其他七颗行星中,木星、土星、天王星和海王星是气态行星,没有坚固外壳,水系、金星、火星和地球一样都是有岩石来组成的,属于“类地行星”,拥有岩石表面。但是,水星距离太阳太近,表面温度高达427℃,金星虽然距离太阳远一些,但是稠密且以二氧化碳为主的大气层,使得金星表面的温度更是高达460℃以上,环境十分恶劣。

这样一来,火星就成为了七大行星中唯一剩下的一颗。与地球的近邻,且与地球同为岩质行星,元素组成和基本结构与地球相似,同时拥有空气,以及水源和有机物存在的痕迹。

地球和火星对比(图改自:NASA)

具体来看,火星的直径大约为6794千米,约为地球直径的一半,质量只有地球的14%,表面引力约为地球的38%,表面空气密度约为地球海平面的不到1%,火星的自转周期也大约为24小时,公转周期大约为1.88年。火星表面的平均温度大约为-55℃,冬夏温差巨大,夏季白天温度可达27℃,冬季夜晚温度低到-133℃。从以上数据来看,火星环节看起来条件恶劣,但是这已经是除地球外,太阳系内与地球环境最为接近,且最有可能被改造为适宜人类生存的行星了。

在具体探测技术方面,人类先后有过四大方案:“惊鸿一瞥”的飞掠,仅在探测早期技术不成熟无法入轨环绕火星、或兼职探测火星时使用;“登高望远”的环绕,通过稳定环绕全方面探测火星总体情况,但无法看清细节;“明察秋毫”的着陆,抵达火星表面近距离接触,但仅能定点探测;“自主移动”的巡视,能在火星表面探测更大的范围。

受限于所携带的电力和通信天线能力,着陆和巡视任务几乎无法直接与地球通信,必须依赖环绕器的信号中继服务。前往火星期间,它们也需要导航、通信、能量等服务。因此,环绕器是所有火星探测任务的基础。

我国此次的首次火星探测任务,天问一号在这一次任务中就同时实现“环绕”、“着陆”和“巡视”三大目标,实现对火星从天到地的立体观测。

问题二:为什么选择在乌托邦平原着陆?

“祝融号”选择在乌托邦平原着陆,一方面是因为工程风险低。火星南北半球的地形地貌、地质构造等差异巨大——火星南部为古老高地,坑多,60%的面积遍布陨石坑;而乌托邦平原所在的火星北部,是被火星熔岩填平的低矮平原,地形平缓,陨石坑较少,且地质年龄较轻,地壳较薄。

另一方面,选择乌托邦平原着陆是因为科学价值高。长期以来,人们最关注的是火星上是否存在生命。研究人员分析,乌托邦平原很可能是远古火星海洋的所在地,“祝融号”着陆的地点在古海洋和古陆地的交界处。

最新的科学探测发现,在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方,存在大量地下水冰,储水量相当于地球上面积最大的淡水湖。想知道火星上到底有没有生命,乌托邦平原是一个绝佳的探测点。

火星乌托邦平原(拉丁语:UtopiaPlanitia),又译作乌托邦低原,为火星上最大的平原,直径3200公里,中央为49.7°N118°E*(火星经纬度),位于阿尔及尔平原的对跖点上。火星乌托邦平原也是1976年9月3日海盗2号在火星上的着陆与探索区域。

问题三:为什么抵达火星后等待了三个月才着陆?

据悉,我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项,计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视,对火星进行全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。

“天问一号”探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正,于2月10日,成功实施火星捕获,进入大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星。但是为何“天问一号”在火星轨道上等待了三个多月后的5月15日,才开始登陆火星呢?要知道,而NASA的毅力号是在2020年7月30日发射,于2021年2月18日抵达火星并当天直接着陆。

答案其实很简单,“天问一号”环绕器的完全成功是探测火星的基本前提,在环绕器稳定后再进行着陆操作,可以为着陆巡视组合体提供更大的选择余地和容错空间。同时,在着陆前,还需要利用环绕器上的中分辨率相机和高分辨率相机等在近火星点对火星表面进行高清成像,收集属于自己的第一手火星数据。因为这是中国的第一次火星探测任务,在这之前我们对于火星了解程度相对于美国来说要少很多,我们需要为后续的着陆巡视组合体的着陆做好完全准备。

△天问一号在停泊轨道运行期间,发回了多批次天问一号拍摄的高清图像,有些成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见(图源:国家航天局)

相比之下,此前美国已经成功对火星进行过多次探测和登陆。不久前才登陆火星的美国毅力号属于NASA的第四代火星探测器,经过前4辆火星车的经验积累,已经掌握了非常详细的关于降落地点的数据,所以它就没必要再围绕火星飞行探测,毕竟绕行飞行也需要极大的成本(燃料)。

所以在这3个月的时间里,天问一号先是花半个月时间进行调整轨道。2月15日,“天问一号”在远火点处将轨道调整为能覆盖火星全球的极地轨道,从最初进入火星的低倾角大椭圆轨道,慢慢调整倾角接近于90度的极地轨道。近火点则锁定在乌托邦平原等低纬度区域。2月24日,天问一号成功调整到距离火星更近、周期更短,每两个火星日环绕一周的轨道。然后开始对火星开展全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析火星地形地貌、沙尘天气等,最后挑选好时间,登陆火星。

问题四:为什么着陆过程是“恐怖7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。

而在这短短的7-10分钟内,探测器将以每小时20000千米的时速以完美角度切入火星大气层,角度太小无法进入,角度太大会因过度加热而烧毁。待穿透大气层后,着陆组合体将弹出隔热罩,并打开降落伞,打开反推火箭,以确保在7分钟内减速至零,平稳着陆。

由于火星探测器和地球之间的距离非常遥远,距离大概在5500万千米到4亿千米之间变化。相比月球探测约2.6秒左右的双向通信时延来说,火星探测的双向通信时延至少需要6-45分钟左右,这也使得地面人员不可能及时对探测器进行控制,因此整个着陆过程需要依靠探测器完全独立完成,且当中一个步骤都不能出错,称之为“恐怖”一点都不为过。

由于美国毅力号以及此前的几个火星探测器着陆火星都花了大约7分钟,因此人们根据以往美国的经验,就将这段过程所需要的耗时称为“恐怖7分钟”。

不过,根据官方的数据,此次天问一号火星探测器的着陆过程为9分钟,通信时延达18分钟。那么为什么着陆过程会比毅力号慢2分钟左右呢?

据了解,祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原,并且由于天问一号在抵达火星之后,进行了三个月的火星轨道环绕,使得它进入火星大气的速度自然要比毅力号慢一些(毅力号进入火星大气层的速度是每秒5.4公里,天问一号着陆综合体大约为4.8公里每秒),所以整个着陆过程大约9分钟左右。

问题五:祝融号着陆火星需要经过哪些关键步骤?

在最终确认开始着陆指令后,着陆巡视组合体将会与环绕器分离,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。如果进入火星大气层的角度过大就会超过隔热层能忍受的极限,如果过小可能就会像打水漂一般滑入深空。

天问一号的着陆巡视组合体进入火星大气层的速度大约为4.8公里每秒,如此之快的速度,即使火星的大气极其稀薄,也使得它与火星大气的摩擦中产生了巨大的震动和热量,这足以融化大部分金属。但是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在常温。天问一号的着陆巡视组合体利用火星大气减速,当速度降低至约1020米每秒后,配平翼展开,进行进一步降速,整个通过火星大气减速过程大约耗时290秒。

随着着陆巡视组合体速度降低至340.3米每秒,巡视组合体将打开降落伞再次进行减速,同时抛弃隔热大底。整个降落伞减速过程耗时90秒,速度可降低至约95米每秒。

随后就时候就开始进入动力减速环节,降落伞之类的东西就要抛掉,只留下着陆平台和祝融号火星车,而动力来源就是着陆平台上安装的7500N大推力反冲发动机,耗时80秒,将速度降至3.6米每秒。

当距离地面高度约600到800米时候,着陆平台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,避开地势地貌不好的地方,然后在高度100米的时候,着陆平台进行悬停,在对着陆区域完成激光三维成像后,找出一块最合适的小区域,进行最后的降落。

最后阶段火箭停止工作,会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。

这里需要说明的是,与美国毅力号不同的是,我们采用的降落方式并不是“空中吊车”,而是安全系数更加稳定的反冲悬停降落,主要原因是因为我们的祝融号火星车质量不是很大,不像毅力号那样质量有一吨多,因此天问一号最合适的降落方式就是这种反冲着陆,而空中吊车那种方式,就比较适合大质量,高精密仪器的火星车。

天问一号着陆平台的四条着陆腿平稳地停在火星表面后,祝融号火星车将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。

以上众多复杂的步骤,只要一个环节出现问题就有可能前功尽弃,难度犹如刀尖上跳舞。

问题六:祝融号的动来源?

祝融号火星车还装有4个“大翅膀”,就像一只展翅飞舞的蝴蝶。据专家介绍,和玉兔号月球车一样,火星车的能源获得也是依靠太阳能,而这4个“翅膀”正是太阳能电池板。

祝融号的外观结构

但是,由于火星距离太阳更远,表面的大气对阳光也有削减作用,火星上的太阳照度大概只有地球的40%。为了满足火星车在火星上工作的能量要求,它的太阳能帆板比之前的“玉兔号”和“玉兔二号”要大得多,还比“玉兔号”多设计了一对“翅膀”,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。

但是,从以往火星探测器拍摄的图片来看,火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁无异。且火星上的风速可达每秒180米,这几乎是地球上特大台风风速的三倍多。这如野兽般凶暴的烈风会掀起大量的沙尘、石块,形成特大沙暴,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。

在今年早些时候,“祝融号”火星车总设计师贾阳介绍,我国的火星车太阳能板采用表面工程技术除尘法,这个技术的关键是超疏基结构,身边的汽车防尘玻璃、防尘贴膜等都是这个原理。类似下雨时荷叶上的水珠,遇风可以很容易滚落。这种材料可以让“祝融号”的太阳能板不易沾染灰尘,还可以通过振动抖掉灰尘。

但对于旷日持久的沙尘暴,则只能是收起太阳能电池板,进入休眠状态,先避过“风头”再说。

此外,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。

问题七: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。

△好奇号破损的轮子显示出火星表面“路况复杂”(图源:NASA)

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。

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。

据了解,在中国航天科技集团五院的实验室中,有一台与“祝融号”一模一样的火星车。当“祝融号”在火星上遇到复杂路况时,地球上的火星车将对火星路况进行模拟行驶,确认无误后才会发出指令。

按照计划,在紧张工作90个火星日后,“祝融号”火星车将结束巡视探测工作,天问一号环绕器也将进行轨道调整,从而开展环绕科学探测。

问题八:祝融号怎么与地球通信?

地火距离对于通信是个巨大的挑战,信号衰减情况随着距离增加迅速提升。一方面,在地球上需要建立巨大的深空通信天线网,以尽可能捕捉来自天问一号的微弱信号;另一方面,天问一号的环绕器也要携带直径达2.5米的高增益定向天线,尽力提高通信能力,与地球保持稳定联系。

△服务于天问一号的天线之一:位于天津武清的70米口径全可动天线,这是亚洲最大口径同类天线,总面积比10个篮球场加一起还大(图源:央视)

然而,祝融号是不可能像环绕器一样携带巨大的天线并提供足够能量供应的。同时,它还携带了6大核心科学仪器和工程相机等辅助系统,数据量巨大,对通信资源要求很高。祝融号还时刻跟随火星自转,与地球沟通极为困难。

因此,祝融号通过环绕器实现信号中继。在正常运转时将所有宝贵数据储存起来,环绕器飞临祝融号上空时,祝融号将信号上传并接收新指令,全程由环绕器直连地球。

问题九:祝融号搭载了哪些科研仪器?

祝融号携带了6大核心科学仪器,包括:地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、磁场探测仪、气象探测仪。

首先,祝融号火星车上最引人注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。这根桅杆足有60多厘米高,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地形相机,还有识别矿物质成分的多光谱相机。火星车踏上火星的第一步,就是要展开它的桅杆,睁开“眼睛”来看火星。

祝融号可拍摄火星高清广角大图的导航地形相机,能为我们带来各种火星“华丽的荒凉”场景。通过多光谱相机,可以详细分析地形、地貌和地质的具体情况,岩石土壤光谱数据也能助力科学家研究火星表面演化的历史和未来。

△工作状态的火星车艺术效果图(图源:中国航天局)

表面成分探测仪也是个“黑科技”。微成像相机能将砂石放大到头发丝般粗细的微米级,激光诱导击穿光谱仪更能在数米外用激光把岩石成分烧蚀成等离子体,同时利用有“远程显微镜”之称的短波红外光谱显微成像仪进行分析,大幅增加了祝融号的科研范围和能力。这一幕,像不像科幻电影中外星人降临利用激光武器“毁天灭地”的场景?

此外,通过次表层探测雷达,我们能利用“火眼金睛”一探火星土壤和浅层地下的结构,找寻那里暗含的奥秘;火星没有全球覆盖的稳定磁场,但表面却存在支离破碎的偶极磁场,暗含着火星历史演化的痕迹,这些需要表面磁场探测仪大展身手;而气象测量仪,则能为祝融提供各种气象条件,让我们了解这颗神秘行星的“呼吸脉络”。

问题十:祝融号能工作多久?

根据官方公布的数据显示,祝融号火星车总重量240公斤,长3.3米、宽3.2米、高1.85米,由于火星上极为严酷的自然环境,祝融号的设计寿命为三个火星月(约92个地球日)。但是这并不代表,祝融号只能工作约三个月时间。

资料显示,1997年7月4日在火星表面着陆的美国探路者号着陆器搭载的索杰纳号火星车,它只有10公斤左右,和微波炉大小相当。他们虽然在火星上总共工作了三个月,但却分别超出各自设计寿命的3倍和12倍。第二辆登陆火星的火星车是在2004年1月4日降落到火星南半球的古谢夫陨石坑的勇气号火星车;第三辆登陆火星的机遇火星车则比勇气号稍晚了一天。勇气号火星车和机遇号火星车的设计寿命都只有三个月。但是它们俩最终都超预期服役,2011年5月25日勇气号火星车的任务结束,而机遇号火星车在2019年2月13日才被宣布结束使命,服役时间长达15年之久。

问题十一:祝融号成功着陆意味着什么?

登陆一颗陌生的星球,大体分为三步:绕、落、巡。其中最困难的一步就是“落”,即着陆。

这个“落”到底有多难呢?数据显示:自1960年以来,人类共发射了46颗火星探测器,成功20次,成功率只有43.5%,一半都不到。其实天问一号也不是我国第一颗发射火星探测器,俄罗斯曾在2011年我们发射过“萤火一号”,不料搭载着萤火一号的俄罗斯火箭出现异常,导致萤火一号无法离开地球轨道,最终坠毁地球大气层。

苏联曾在1962-1969年间共发射5个火星探测器,但全部失败。直到1971年,苏联的火星3号成功登陆火星,成为第一个登陆火星的探测器。不过也仅限于此,因为它在坚持14.5秒后便失去了联系。

另外欧航局曾在2003年、2016年相继发射火星探测器“Beagle 2”和“Schiaparelli EDM lander”,不过一个降落后失联,一个计算错误过早抛弃降落伞导致砸在火星上。

即便是有着成功登陆火星经验的美国,也曾在1998-1999年遭遇了三次失败。

总结来看,第一个真正意义上成功登陆火星并正常工作的火星探测器,则是1997年7月登陆火星的则是美国的探路者号着陆器搭载的索杰纳号火星车。随后,美国在2003年接连发射了两颗火星探测器,2004年1月4日和1月25日,美国勇气号火星车和机遇号火星车相继成功登陆火星;美国毅力号火星探测器则是在2020年7月30日发射,并于2021年2月18日成功着陆。

随着天问一号的成功发射,顺利抵达火星,环绕器与着陆巡视器成功分离,环绕器成为中国的火星人造卫星,着陆巡视组合体成功着陆,祝融号成功开始工作,意味着中国通过一次火星探测任务同时实现了“环绕”、“着陆”和“巡视”三大目标,实现对火星从天到地的立体观测。

天问一号和祝融号火星探测器的成功,标志着中国成为了成为继苏联、美国后,全球第三个成功登陆火星的国家,全球第二家成功利用火星车开展火星地面探测的国家,祝融号也成为了全球第五辆成功登陆火星并正常工作的火星车。

值得一提的是,自1964年12月28日,美国水手4号发射升空,并成为有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器,到1997年7月美国索杰纳号火星车成功登陆火星,这期间美国花了近33年的时间。而中国天问一号和祝融号火星探测器的成功,则意味着中国仅用一颗火星探测器就走完了美国数十年的历程。

总体上,近些年来人类探测火星的任务中,天问一号可以说是“复杂度之最”,这也体现了中国航天事业的巨大成功。

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