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官方只给了一张图,我国首次火星探测到底要怎么搞?

发布时间:2019-10-31 15:23:23 人气:3458

[文/观察网专栏作家李惠超]

最近,中国航天科技公司发布了中国首次独立火星探测探测器的外观图片。

然而,只有一张照片...

那么,中国将如何进行第一次独立的火灾探测,图片上探测器的每个部分有什么功能?根据国内外已发表文献中提供的信息,本文将对这些问题作一些初步的解释。

火星还有很长的路要走。

2011年,中国曾计划与俄罗斯合作,利用俄罗斯“福布斯-土壤”探测器的机会进行火星探测,并安排中国研制的萤火虫-1号探测器进行飞行。在与福布斯土壤一起到达火星附近后,中国将分离并执行各自的探索任务。然而,由于《福布斯-土壤》的失败,但在他能够征服之前,他已经在地球附近改变了死亡的轨道,中国的萤火虫1号没能完成它预定的任务。

(福布斯土壤探测器。探测器中间的架子里是飞行萤火虫1号探测器。)

探索火星具有重要的科技价值。从科学上讲,火星和地球一样,是一颗多岩石的行星,但它有许多不同于地球的特征。例如,火星没有像地球一样强的固有磁场,指南针在火星上也不能正常工作。火星的大气层很薄,其主要成分是二氧化碳。目前的主流观点是,正是因为火星失去了由内在磁场形成的磁气圈的保护,它才会逐渐被太阳风剥离其原始致密的大气层。此外,火星上可能有液态水和生命,从目前的测量中寻找火星上液态水和生命的痕迹为我们研究行星的演化过程提供了时间胶囊。

从技术上讲,探索火星肯定会推进一个国家的深空技术。无论是能够向地月转移轨道发射相当重量探测器的大推力运载火箭,还是能够进行长时间、长距离、可靠深空飞行的飞机,以及支持航天器的测控通信系统等。,有必要解决近地空间飞行中不需要解决的问题。与此同时,许多组织已经设想了将来对火星进行环境改造以移民到火星的可能性。虽然星际迁移目前还处于试验阶段,但提前掌握相关技术可以确保我们在未来竞争中的优势和地位。毕竟,当莱特兄弟成功驾驶人类历史上第一架36.5米的飞机时,现在司空见惯的越洋飞行和超音速飞行技术只是当时的幻想。

事实上,我们的科技人员正在设计我们自己的火星探索计划,而萤火虫一号项目正在进行中。萤火虫1号在2011年发生事故后,科学家和工程师们仍在提出各种建议,希望我国能够执行独立的火星探索任务。同时,随着嫦娥三号任务的成功,中国实现了航天器在其他天体上的首次软着陆,而月球探测和火星探测属于行星探测范畴。通过月球探测项目的积累,火星探测所需的技术条件和基础设施可以进一步深化和升级。在这些因素的推动下,2016年1月,国家正式批准建立中国火星探索计划,并在当年4月22日的太空日新闻发布会上向公众宣布。

Surrounders和landers,一对很好的搭档

虽然在研究新的飞行路径方案方面已经取得了很多成就,但是在目前的技术条件下,人类发射到火星的探测器只能沿着一条叫做“费曼转移轨道”(Feynman transfer orbit)的椭圆轨道从地球附近飞到火星附近。这个椭圆轨道的两端有一端与地球轨道相切,另一端与火星轨道相切。由于探测器沿该轨道飞往火星的时间是固定的,进入轨道的时间必须使航天器在到达转移轨道的另一端时与火星相遇,发射到火星的窗口每26个月才会出现一次。下一次火星发射窗口将出现在2020年,届时我们的火星探测器将前往火星。在此期间,她由美国宇航局的火星2020探测器陪同。

(探测器不是在发射窗口发射的,虽然它到达了火星轨道,但没有遇到火星。)

(探测器在发射窗口发射,遇到了火星)

从照片中,我们可以看到中国的第一个火星探测器大致由两部分组成。上部呈现一个钝锥,类似神舟飞船返回舱的外观。下部外观闪闪发光,底部有一个喷嘴,有点像普通卫星。根据已发表文献的介绍,中国首次火星探测将在一次任务中实现火星绕行、着陆和巡逻的探测,探测器由绕行器和着陆器两部分组成。作者认为,图中探测器上部的钝体适合火星大气中的空气动力学减速,因此应该是着陆器,而下部在着陆过程中不采取与大气相互作用的特殊措施,应该是不进入火星大气的轨道器(也叫轨道器)。

根据该计划,轨道器和着陆器的组合将由长征5号火箭直接送入地球的火转移轨道,也就是说,上述费曼转移轨道将飞往火星,而不是像南亚国家的探测器一样一点一点地长时间环绕地球。一般来说,这种更复杂的轨道进入操作将在远征2的上阶段完成,远征2是为长征5号研制的。进入轨道后,探测器将进行大约9个月的飞行,在此期间,探测器将根据情况在到达火星之前进行中途修正。接近火星后,探测器将使用自己的引擎进行变轨操作,从以太阳为中心的转移轨道到以火星为中心的椭圆轨道,周期约为10个火星日。在该轨道调整后,探测器将过渡到周期为2个火星日的椭圆形停放轨道,并进一步接近火星。这里,该组合将在预定着陆区域上执行接近检测,以确定实际着陆地点。之后,着陆器和轨道器分开,火星软着陆后着陆器释放了漫游者(也称为“漫游者”),漫游者进行了巡逻探测。当轨道飞行器停留在围绕火星的轨道上时,它也充当火星探测器和地球之间的“信使”,在进行探索时提供通信中继服务。

做困难事情的人会得到一些东西。

对于火星探测,环航探测可以使我们获得更多关于火星的全面信息,而着陆和巡逻探测可以使我们获得更详细的信息。在环航仪和巡天探测器的合作下,中国首次火星探测将完成研究火星地形和地质结构特征、火星表层土壤特征和水冰分布、火星表层物质组成、火星大气电离层和地表气候环境特征、火星物理场和内部结构五个方面的科学目标。同时,虽然着陆在火星表面的航天器也可以直接与地球通信,但由于着陆器和漫游者一般不配备增益较高的天线,因此长距离造成信号衰减的影响,与地球通信的带宽非常有限。此外,由于火星的旋转和火星与地球之间的相对位置,直接通信的时间是有限的。因此,轨道飞行器不仅在科学上是着陆器和月球车的补充,而且中继通信功能也是月球车完成任务的必要设备。

对于长期从事火星探索的美国宇航局来说,在新的着陆器发射之前,许多轨道飞行器已经在火星附近稳定运行。因此,只需要单独发射着陆器,任务可以依靠现有振铃器的中继通信服务来完成。例如,“好奇号”探测器发射时,美国宇航局的火星奥德赛号(Mars Odyssey)、mro号及其合作伙伴欧空局的火星快车号(Mars Express)已经在火星轨道上等待为“好奇号”服务。对于中国首次独立的火星探索,轨道飞行器、着陆器和探测车被打包并一起发射。这也是美国维京1号(“维京”也译为“维京”)和维京2号以及其他最初的火星着陆探测器的使用方式。

我国的漫游者和着陆漫游者的总重量高达5吨,这与美国宇航局单独的漫游者和漫游者的总重量相差不大。例如,mro的发射重量为2.18吨,好奇号漫游者的发射重量为3.89吨,总计约6吨。较大的发射重量为有效载荷配置提供了足够的空间。在中国的火星探测器上,轨道飞行器配备了7个科学有效载荷,月球车配备了6个科学有效载荷,从而确保了各种科学目标的实现。同时,装配的一些资源可以在漫游车和着陆漫游车之间共享。例如,用于提供轨道转移动力的主发动机,即图中组件底部喷嘴所在的装置,不需要像单独发射时那样为轨道飞行器和流动车单独配置。

(好奇号降落在火星上。我国火星探测的过程应该与好奇号大致相似,只是在权力下放和超越的过程中可能与好奇号不同。)

着陆器在外观上与神舟飞船的太空舱有些相似的原因是,像神舟飞船的太空舱一样,它必须与大气进行强烈的相互作用。在着陆过程中,着陆器将首先通过与火星大气的相互作用减速,然后降落伞将打开以进一步减速着陆器。在那之后,平截头圆锥体的外壳应该完成任务并且与着陆器的主体分开。着陆器主体利用自己的发动机进行自主动力避障等过程,最终完成软着陆并释放月球车。

在嫦娥探月项目中,中国积累了登陆地球表面的经验,成为世界上唯一一个实际应用自主动力避障技术的国家。嫦娥探测器可以使用自己的机载仪器自动识别着陆点的危险地形,并选择最安全的着陆点。这些技术也应该应用于火星着陆。

然而,由于火星有大气层,月球没有大气层,所以登陆火星的过程需要考虑与大气层的相互作用,所以登陆火星的过程比登陆月球更复杂。同时,由于火星大气的性质不同于地球大气,神舟飞船的相关技术不能直接复制,必须根据火星大气的特点进行进一步的研发。

由于火星和地球相距甚远,信号传播的时间延迟相当大。当探测器到达火星附近执行一系列关键行动时,与地面的通信延迟高达15分钟。也就是说,理论上探测器需要至少30分钟才能从地球接收到火星上任何故障的反馈控制。从探测器进入火星大气层到着陆的整个过程将在8分钟内完成,每个动作之间存在着一个一个循环的深度耦合关系,几乎没有机会再这样做了。因此,要求相关技术方案和设备必须具有较高的可行性和可靠性。探测器本身也应具有强大的自我管理和控制功能。一旦发现问题,必须在很短的时间内进行诊断和纠正。

然而,如果你做了一些困难的事情,你会得到一些东西。到目前为止,只有美国真正玩过火星着陆软着陆探测技术,这也是我们一直在追逐的目标。通过这次对火星的撞击,中国的深空探测技术必将得到极大的提高,为将来探索太阳系其他行星和太阳本身,甚至飞出太阳系奠定坚实的基础。

(本文仅通过已发表的文献为读者做一些阅读。有关中国首次火星探测任务的准确信息,请参考相关任务单位的权威发布。)

参考内容:

耿燕、周继世、沙莉、傅仲良、孟林芝、刘建军、王海鹏。中国第一次火星探测任务[。《深空探测杂志》,2018,5(05):399-405。

李春来、刘建军、耿弇、曹金斌、张铁龙、方光友、杨剑锋、荣树、邹廖勇、林杨婷、欧阳自远。中国第一次火星探测任务的科学目标和有效载荷分配[。《深空探测杂志》,2018,5(05):406-413。

郝万红、董梁光、李海涛、王红、范敏、周桓、许德珍。TT&C火星大气进入降落阶段通信关键技术研究[。《深空探测杂志》,2018,5(05):426-434。

朱妍、白云飞、王联国、华伟、张宝明、王翰、余省、杜庆国、陈纯虹。中国第一个火星探测项目的总有效载荷设计[。《深空探测杂志》,2017,4(06):510-514 534。

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