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火星探測系列之三

?火星探測很難,為什么?

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發布時間:2020-08-13 15:50:13

來源:群眾新聞

火星探測任務一般可分為環繞、著陸和巡視三類。環繞任務,即發射環繞火星運行的探測器,例如歐空局火星快車號、NASA的火星勘察軌道器;著陸任務則是使探測器著陸到火星上去,例如美國宇航局的鳳凰號、洞察號探測器;巡視任務即能夠在火星上進行巡視勘探的火星車,例如美國宇航局的旅居者號、勇氣號、機遇號和好奇號火星車。

1960年,蘇聯向火星發射了火星1A號探測器,它是人類探測火星的開端。1964年,美國成功發射水手4號火星探測器,它是歷史上首個成功到達火星的探測器。從1960年的火星1A 號到2018年的洞察號,人類共進行了45次火星探測任務,包括環繞、登陸、巡視任務,其中成功和部分成功22次,成功率僅有50%左右。那么,火星探測為什么這么難呢?

探測器發射窗口少。月球探測每年都有窗口期,而火星距離地球非常遙遠,每隔約26個月才有一次“火星探測窗口”,因此一旦錯過窗口期,就只能再等兩年。

測控和數傳面臨的困難大。深空探測器的測控通信需要面臨距離遙遠帶來的一系列問題,探測器測控通信通常采用無線電信號進行信息傳輸,而無線電波以光速向外輻射,強度按照傳播距離的平方衰減,故距離信號的發射源越遠,強度越低。

火星探測器和地球之間的距離非常遙遠,最遠達到4億公里,是地月距離的1000倍。探測器發射的信號,通過遙遠的距離傳輸到地球上的時候,信號強度已經嚴重衰減,通常采用更大口徑的天線來接收微弱的信號。

在探測數據的接收方面,我國擁有在密云的50米天線、40米天線和在昆明的40米天線等?;鹦蔷嚯x地球遙遠,來自火星探測器的信號非常微弱,為了適應我國首次火星探測的任務需要,中國科學院國家天文臺專門在天津武清新建了一臺70米口徑的高性能數據接收天線。

信號傳輸時延長。月球探測的單程通信為1.3秒左右,基本上可以達到實時通信。而火星探測的最遠單程通信時間為22分鐘,地面人員不能及時對探測器進行控制,因此對探測器的自主控制提出了更高的要求。尤其是在降落火星時,僅僅7分鐘之后探測器就將從環繞軌道降落到火星表面,測控人員根本來不及對探測的運行狀態進行判斷從而進行修正,只能依靠探測器自身的控制判斷來進行著陸。

此外,深空測控通信的難點還有信號傳播環境復雜、高精度導航困難等。

抵達火星難、著陸火星難。由于人類目前的運載火箭能力有限,不能運送太大的探測器到火星,所以探測火星的目標之一就是消耗最少的燃料,盡可能將更大質量的探測器送往火星。借助“霍曼轉移軌道”,就可以使探測器在從地球飛往火星的過程中消耗最少的能量。

同樣由于火星距離遙遠,在探測器的多個月飛行過程中,會受到太陽系內多個天體的擾動,還有太陽風、空間輻射等復雜的影響,需要考慮的因素更多?;鹦蔷嚯x地球最遠為4億公里,需要更高的軌道設計要求,軌道偏差一點,到了4億公里都會被放大很多。

探測器抵達火星附近之后,需要被火星引力捕獲才能環繞火星運行。而火星質量小、引力影響范圍小,所以探測器在進行近火制動之后需要準確進入環火軌道,稍有偏差就有可能與火星擦肩而過或是在火星大氣中焚毀。

登陸火星是最難的?;鹦翘綔y器登陸對于減速要求更高,我國的月球探測在距離月面15千米的高度開始減速,將速度從1.7千米/秒減速到0,而火星探測需要在100千米左右的高度從4.8千米/秒減速到0?;鹦翘綔y器的信號從火星傳到地球需要幾十分鐘,而探測器從運行軌道著陸到火星只需要7分鐘,因此地面人員無法干預探測器的著陸過程,完全依靠探測器自身來控制選擇。

探測器的著陸過程對于探測器防熱措施,降落傘、氣囊或緩沖發動機能否按程序工作,都有極高要求。任何一個環節出現偏差,都將導致著陸失敗。因此,必須精確控制探測器的各個程序,需要經歷所謂的“恐怖7分鐘”,才能成功軟著陸。

目前探測器登陸火星的方式主要有三種:分別是腿式緩沖、氣囊緩沖和空中吊車。美國的海盜號、鳳凰號和洞察號探測器均采用腿式緩沖的方式。勇氣號和機遇號則是采用氣囊緩沖的方式,氣囊著陸適用于小型火星車,大一點的火星車就需要使用反沖發動機進行著陸。好奇號火星探測器由于質量非常大,只能采用最先進的空中吊車方式進行著陸。

(中國科學院上海天文臺天之文科傳團隊供稿)

責任編輯:馬維娜

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