飞行近5亿公里,历时203天,美国的“毅力号”火星探测器抵达火星,并且在进入火星轨道之后没有过多地停留,就随即进行了一系列的落火行动。
于北京时间19号4点55分成功着陆在火星北半球伊西迪斯平原西侧的杰泽罗陨石坑。
在整个探测火星的任务当中,有两个难点;
第一个就是火星探测器在地火转移轨道上接近火星的时候要制动减速,制动的时间和减速的程度要恰到好处,才能被火星捕获,成为火星的一颗卫星。
速度过快就会与火星擦肩而过,速度过慢就会一头扎近火星大气,与火星相撞。今年前往的三个火星探测任务,阿联酋的希望号轨道探测器,天问一号火星探测器,毅力号都顺利完成了第一步。
第二个难点就是在火星轨道上的落火过程,阿联酋的希望号任务只是环绕火星(2.9号),已经圆满成功,天问一号和毅力号都有着陆火星的任务,都要在火星上部署火行车展开巡视工作。
目前毅力号在相比于天问一号迟到了9天的情况下,已经率先完成了最后一个难点,而天问一号还在轨道上运行,计划运行3个月,到5月的时候才会择机落火。
那为什么毅力号刚到就可以马不停蹄地落火,天问一号还要等待3个月的时间呢?
有两方面的原因,首先就是落火太难,其次就是天问一号这次的任务不同于人类以往的任何一次探火任务。
落火
在火星上降落可以说是人类进行的所有航天任务中最难、最惊心动魄的操作,火星的质量是地球的1/9,它的第一宇宙速度为3.53km/s,月球的质量是地球的1/81,它的第一宇宙速度只有1.68km/s。
而探测器在火星轨道上运行的速度只可能超过3.53km/s,不可能低于它,例如毅力号进入火星大气层时候的速度为每秒5.5公里,天问一号未来进入火星大气层时候的速度预计在每秒4.9公里。
降落火星的时间大约为7到9分钟,在这么短的时间内,我们要将探测器的速度降到0,才能保证探测器是平稳地软着陆,而不是一头撞在火星土地上。
从速度上来看,火星降落要比月球难得多,而且火星上有这稀薄的大气层,探测器以如此高的速度进入火星,就会与大气层摩擦产生高温,温度可以达到1300摄氏度,这就对探测器的隔热能力有了一定的要求。
但有大气的存在也不是一件坏事,我们可以利用大气层给探测器进行气动加速,帮助探测器平稳着陆。
最后的难点在于火星距离地球很远,信号延迟最高能达到11分钟,所以我们在地球上不能完全操作探测器的着陆,一旦探测器进入大气层准备降落,那么这短短的7分钟,所经历的所有事情,都必须由探测器来自主完成,所以这就需要探测器拥有相当高的智能化。
所以落火对于任何一个国家,包括美国在内都不是一件轻而易举的事情,从人类以往发射的火星探测器来看,成功率只有一半,而失败的探测器大部分都死在了落火的过程。
“毅力号”落火大致过程
毅力号与19日4点48分,以每小时20000公里,每秒5.5公里的速度冲进火星大气层,姿态飞行器保证探测器在大气层中飞行的过程中不至于胡乱的翻滚。
探测器底部的隔热罩在这个过程中起到了隔热和减速的作用,温度最高达到了2000摄氏度,这个过程经历了大约4分钟的时间。
探测器的速度大幅降低到了每秒700米,此时距离着落地面只剩下了11公里,探火史上最大直径达21米的降落伞打开,速度瞬间降到了每秒400米,同时抛弃隔热罩;
探测器开始对地面进行雷达扫描选择合适的着陆地点。
距离地面仅有2公里,速度降到每秒80米的时候,着陆器与降落伞和后壳分离,着陆器上安装的8台火箭反推器开始工作,控制着陆器平稳降落。
并且将速度降低到了每秒20米,此时探测器以匀速下降,寻找合适的地点。
最后的落火过程,毅力号采用空中吊车的方式落火,反推器与火星车分离,利用尼龙绳把火行车以每秒0.75米的速度放下。
随后反推器熔断尼龙绳索,飞离着陆地点。
火星车成功着陆后发回了一系列火星黑白照片。
为什么毅力号可以立即落火,而天问一号要等3个月的时间?
因为NASA在上世纪的60年代就开始了对火星的探测,付出了巨大的时间和资金成本,当然也总结出了大量的珍贵经验和火星地质、地形、大气的数据,而这些关键数据我们并不清楚,都需要我们自行去获取。
这为NASA现在探火的成功率奠定了坚实的基础。
从人类探索火星的历程可以看出,火星简直就是一个探测器的坟墓,在1975年海盗1号和海盗2号成功着陆之前,大部分的火星探测器任务都是尝试着绕火星飞行,可基本上都失败了。
只有到了2000年以后,探索火星的成功率才有了起色。
目前包括毅力号在内,这已经是NASA第9次在火星上着陆了。包括1975年的两个海盗号探测器,1997年的火星探路者,2004年的勇气号和机遇号,2008年的凤凰号,2012年的好奇号,2018年的洞察号。
虽然探火很难,但是对于现在的NASA来说,他们已经是轻车熟路了。目前毅力号的成功,也意味着在火星上目前有两个探测器(好奇号)在运行。
除了火星表面的探测器外,NASA还在火星轨道上发射了大量的环火星轨道探测器,目前仍然在运行的有NASA的奥德赛、NASA火星轨道堪察器、NASA火星大气探测器;
这些探测器为NASA提供了火星上大量的实时数据,再加上之前大量的经验,所以无障碍随即落火NASA是非常具备条件的。
可以说NASA在落火之前,很多工作都已经提前做完了。他们不需要等待。
而天问一号就不一样了,我们对火星的探测是从0开始的,包括首次进入环火星大椭圆轨道,15号我们还调整了探测器的轨道使它的轨道穿越火星的两极,未来我们还继续会调整探测器的轨道。以获取更多的火星数据。
由于我们之前从来没有向火星上发射过任何探测器,这是首次,所以我们对火星大气和地形,以及即将着陆的地点并不是很了解,所以我们需要先让天问一号在火星轨道上运行一段时间,先做一做前期的工作。
还有我们之前并没有落火的任何经验,虽然我们在地球上做了大量的计算、实验论证了天问一号技术的可行性,但这我们毕竟属于第一次,所以所有的准备工作要做的足够充分,才会闯最后的难关。
最后天问一号任务是人类探索火星过程中,任务最多、最难的一次,因为我们不仅要实现探测器绕火星飞行,还要落火,部署火行车巡视。
以前NASA进行的所有探火任务,以上的三项工作都是分开进行的,从来没有一次性完成过这么复杂的任务。
因此从任务的难度、先行经验上来说,天问一号需要在轨道上运行一段时间,完成必要的轨道探测任务,才能为后来的落火提供坚实的保障。
我们的落火过程跟毅力号差不过,也是利用探测器隔热罩、降落伞进行气动减速,反推火箭将探测器速度将为0, 悬停,然后平稳在预定的安全地点着陆,唯一的区别就是天问一号没有空中吊车的过程。
预祝5月份,我们的探测器能够完美着陆,开创中国航天的历史性时刻。