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逆熵官网(www.ipfs8.vip):中国火神踏上火星!祝融号火星车着陆火星十大问题详解

admin2021-05-1647

出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院盘算机网络信息中央

2021年5月15日,在履历了296天的太空之旅后,天问一号火星探测器所携带的祝融号火星车及其着陆组合体,乐成下降在火星北半球的乌托邦平原南部,实现了中国航天史无前例的突破:天问一号,成为中国首颗人造火星卫星。祝融号,成为中国首个火星巡视器(火星车)!

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

天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图(图源:国家航天局)

在中国神话系统中,祝融是为中原民族传下火种的创世祖神之一,教会了昔人学会用火。中华文化源远流长,这个充满文化色彩的称谓,在全网投票中脱颖而出,成为中国首个火星车的台甫。

天问,问天!祝融,探火!中国航天在用极致的浪漫组合将神话酿成现实。

关于祝融号,人人是不是存有许多疑问?本文就带你详细解读十大疑问,全方面领会它的着陆之旅和对中国甚至天下航天的意义。

问题一:为什么要着陆火星?

火星是地球的近邻,与地球同为岩质行星,元素组成和基本结构与地球相似,它的发展与演化历史也展现着地球的已往和未来。火星上拥有空气、水源和有机物存在的痕迹,个头虽小外面积却与地球的总陆地面积靠近,各方面条件都远优于另一个近邻金星。

地球和火星对比(图改自:NASA)

在详细探测手艺方面,人类先后有过四大方案:“惊鸿一瞥”的飞掠,仅在探测早期手艺不成熟无法入轨围绕火星、或 *** 探测火星时使用;“登高望远”的围绕,通过稳固围绕全方面探测火星总体情形,但无法看清细节;“明察秋毫”的着陆,抵达火星外面近距离接触,但仅能定点探测;“自主移动”的巡视,能在火星外面探测更大的局限。

受限于所携带的电力和通讯天线能力,着陆和巡视义务险些无法直接与地球通讯,必须依赖围绕器的信号中继服务。前往火星时代,它们也需要导航、通讯、能量等服务。因此,围绕器是所有火星探测义务的基础。

2020年10月1日天问一号星散丈量传感器完成的“深空 *** ”(图源:国家航天局)

我国首次火星探测时,天问一号仅在一次义务中就同时实现“围绕”、“着陆”和“巡视”三大目的,实现对火星从天到地的立体观察。其中,自由移动的祝融号着陆火星后,能将火星外面种种细节直观地全方位展现出来,这一功效的意义是不能取代的。总体上,近些年来人类探测火星的义务中,天问一号可以说是“庞大度之最”,这体现了中国航天事业快速生长带来的伟大信心。

问题二:为什么抵达火星后耐心守候了三个月才着陆?

一方面,围绕器的完全乐成是探测火星的基本条件。在围绕器稳固后再举行着陆操作,可以为着陆巡视组合体提供更大的选择余地和容错空间。另一方面,中国还缺乏对火星的周全领会,着陆区的现实地形地貌和气象条件等都需要详细勘探。因此,抵达火星后,需要花一准时间研究勘探。否则,贸然着陆的风险可想而知。

2021年2月10日19时52分,天问一号围绕器携带着陆巡视组合体,乐成切入围绕火星轨道并成为火星的一颗人造卫星。随后它们完成了三大步骤:

1.火星上空“侧空翻”:2月15日,在远火点处将轨道调整为能笼罩火星全球的极地轨道,从靠近赤道的“横着飞”酿成“纵向飞”,视野大大增添。近火点则锁定在乌托邦平原等低纬度区域,为后续科研和勘查做准备。

2.进入“停泊轨道”:2月24日,天问一号乐成调整到这条过渡轨道,距离火星更近、周期更短,每两个火星日围绕一周。在这条轨道稳固运行三个月时代,详细勘探着陆区域。

天问一号在停泊轨道运行时代,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外面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见(图源:国家航天局)

3.各项仪器开机:天问一号携带了13台主要科学仪器,其中围绕器上有7台,重点是在近火点时行使中分辨率相机和高分辨率相机等对火星外面高清成像。三个月时间的调试校正后,所有仪器系统都到达最佳事情状态。

问题三:为什么着陆历程是“恐怖九分钟”?

火星着陆连续时间受一系列因素影响,如突入火星大气的速率、角度、地址和时间,着陆地址的地形地貌特点(尤其是高度),着陆时代的气象条件,详细着陆手艺方案和细节等,总体着陆时间在7-10分钟不等。祝融号选择的着陆区是高度较低的乌托邦平原,总着陆时间在9分钟左右,也被叫做“恐怖九分钟”。

这是由于:火星虽是近邻,但与地球的距离在5500万千米到4亿千米之间转变,远超月球。这不仅意味着一次火星探测义务动辄需要航行7-11个月,还意味着从地球上发出信号与火星通讯,至少需要6-45分钟的双向通讯时延。火星大气稀薄,引力较小,整体着陆历程仅连续数分钟,时代基本不能能在地球上举行控制,这个历程必须依赖着陆组合体自力自主完成。

2000-2022年地球和火星距离转变,各火星探测义务在太空中航行的时间区间

此外,火星半径为3400千米左右,约为地球的一半,外面引力约为地球的38%,外面空气密度不足地球海平面的1%水平,但这并不意味着着陆火星难度低。现实上,着陆火星的难题水平远远跨越了月球。虽然大气可以给着陆巡视组合体带来一定的气动减速能力,但密度太低不能能减速到理想的着陆状态,最后一定需要反冲火箭事情悬停下降。为应对不能阻止的大气袭击、摩擦和积累的热量,着陆巡视组合体还必须增添气动、隔热、避震等防护结构,重量、庞大度和成本等大幅度上升,风险系数也大大增添了。

因此,当地球上的航天人通过准确盘算得知祝融号正在火星自力完成各项着陆操作、却不得不耐心守候信号回传时,这种焦虑的体验不能谓不“恐怖”。

问题四:着陆时代,祝融号到底履历了什么?

在最终确认最先着陆指令后,着陆巡视组合体会与围绕器星散,开启自力着陆之旅。时代姿态控制发念头事情,严酷控制着陆轨迹角度与偏向。若是冲进火星的角渡过大就会跨越隔热层能忍受的极限,若是过小义务就会像吊水漂一样平常滑入深空。

突入火星大气后,5千米/秒级其余速率依然导致稀薄的大气袭击和摩擦发生了伟大的震惊和热量,足以融化大部门金属。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能保持常温。时代速率骤降到数百米/秒,伟大的下降伞在火星上空约10千米的高度打开。

随着速率的迅速降低,已经被烧蚀得不成样子的隔热大底没有存在的需要了,对这一元勋的“回报”是:它将被抛离并直接脱落在火星外面。此时,露出出来的底部雷达和工程相机等立刻最先急速事情,紧盯目的着陆区域,剖析与预计的匹配水平,让控制导航盘算机快速解算最佳着陆方案。开端选准时代,速率已经降至100米/秒以内,下降伞急流勇退,此时才是大戏上演的时刻。

各火星着陆义务初始阶段流程靠近,图为毅力号火星车部门着陆流程示意(图源:NASA)

着陆巡视组合体依赖底部壮大的反冲火箭事情最先减速,种种传感器进一步仔细检查地面情形,阻止乱石堆、斜坡、沟谷的特殊地貌,找寻最佳着陆角度和姿势。随着速率进一步降低至悬停避障状态,着陆巡视组合体近距离火星外面数米高。最后阶段火箭住手事情,全力削减火箭事情扬起沙尘等因素对它们的影响,着陆巡视组合体乐成下降火星外面。

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2019年11月14日,着陆巡视组合体悬停避障试验在河北怀来外天体着陆综合试验场举行,这也是祝融号首次公然亮相(图源;央视新闻)

众多庞大的动作,犹如在火星独自“刀尖上起舞”,稍有不慎便会义务失败,难度可想而知,了不起的成就!

问题五:祝融号怎么获取能量?

祝融号是天问一号全程呵护的“掌上明珠”。在航行、围绕和着陆时代,围绕器和着陆器全程为它保驾护航,提供主要的通讯、能量和动力服务。然则抵达火星外面后,着陆器将放出导轨,祝融号必须开机,在履历数天能量积累后,最终走出“温室”、依赖自身能力自力生计。

祝融号的外观结构(图源见水印)

祝融号依赖太阳能举行事情。由于火星距离太阳更远,这里的太阳能密度仅为地球周围的4成左右,对太阳能帆板网络能量的要求极高。它使用了4片伟大的由三结砷化镓组成的“蝴蝶型”太阳能电池阵列,确保足够能量供应。同时,火星上动辄有大规模的沙尘暴,会对太阳能网络效率发生伟大影响,甚至直接影响火星车事情寿命。通过防尘涂层手艺,祝融号外面的抗沙尘能力大幅提高。但对于旷日持久的全球沙尘暴,则只能是“我打不起,但躲得起”,进入休眠状态,先躲过“风头”再说。

火星外面空气极其稀薄,保温效应有限,直接导致昼夜温差过大,日间可达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伟大挑战。一方面,祝融号必须在夜晚“熄火”休眠;另一方面,它也接纳了纳米级气凝胶和正十一烷集热窗等温控手艺,确保平安无虞渡过漫漫长夜。

问题六:祝融号怎么运动?

会动,是火星车的焦点功效。

但火星上并不是一片“坦途”,随机泛起的尖锐砂石会容易损坏火星车的动力系统,且这些危险会逐渐累积,对火星车造成伟大威胁。例如“勇气号”火星车2009年陷入沙坑,导致轮子泛起故障,无法转动,一直被困到义务竣事。现在正在运转的“好奇号”火星车,可能导致义务终止的最大风险之一就是逐渐残缺的轮子。

好奇号破损的轮子显示出火星外面“路况庞大”(图源:NASA)

祝融号的机身被设计成了可升降的自动悬架结构,能够自由转向,六个轮子均自力驱动,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”等庞大机械操作,成为一辆不折不扣的“火星六驱越野车”,以提高驾驶平安性,可以说这将成为祝融号在火星驰骋的 “风火轮”。

着陆火星后的祝融号艺术效果图(图源:国家航天局)

不外,祝融号的焦点使命是科研,任何灵活性能都不如“行车交规”主要。首先,严酷限速,节约名贵的太阳能。这个240千克的人人伙现实速率仅为厘米/秒级别,连乌龟都跑不外;其次,兢兢业业,“走一步,歇两步”,经常停下来行使地形相机和避障相机等详细“眼观八方” ,确认平安再出发;再次,心神专注。要么认真行驶,要么停车让科学仪器开启事情,心神专注,绝不“边走边玩”;最后,真的发生紧要情形陷入逆境后,航天人也会在地球实验室行使火星车的“双胞胎”备份还原真实火星驾驶场景,设计多种解决方案,辅助它脱困。

不存在绝对平安的车,只存在绝对平安的交规。“行车不规范,亲人两行泪”,纵然在火星,祝融号也切记交规。

问题七:祝融号怎么与地球通讯?

地火距离对于通讯是个伟大的挑战,信号衰减情形随着距离增添迅速提升。一方面,在地球上需要确立伟大的深空通讯天线网,以尽可能捕捉来自天问一号的微弱信号;另一方面,天问一号的围绕器也要携带直径达2.5米的高增益定向天线,全力提高通讯能力,与地球保持稳固联系。

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,祝融号是不能能像围绕器一样携带伟大的天线并提供足够能量供应的。同时,它还携带了6大焦点科学仪器和工程相机等辅助系统,数据量伟大,对通讯资源要求很高。祝融号还时刻追随火星自转,与地球相同极为难题。

因此,祝融号通过围绕器实现信号中继。在正常运转时将所著名贵数据储存起来,围绕器飞临祝融号上空时,祝融号将信号上传并吸收新指令,全程由围绕器直连地球。

问题八:祝融号能举行什么科研?

千言万语不如一张图,“摄影”是祝融号最焦点的科学研究目的之一。例如,可拍摄火星高清广角大图的导航地形相机,能为我们带来种种火星“华美的冷落”场景。通过多光谱相机,可以详细剖析地形、地貌和地质的详细情形,岩石土壤光谱数据也能助力科学家研究火星外面演化的历史和未来。

事情状态的火星车艺术效果图(图源:中国航天局)

外面因素探测仪也是个“黑科技”。微成像相性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因素烧蚀成等离子体,同时行使有“远程显微镜”之称的短波红外光谱显微成像仪举行剖析,大幅增添了祝融号的科研局限和能力。这一幕,像不像科幻影戏中外星人降临行使激光武器“毁天灭地”的场景?

此外,通过次表层探测雷达,我们能行使“火眼金睛”一探火星土壤和浅层地下的结构,找寻那里暗含的隐秘;火星没有全球笼罩的稳固磁场,但外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,这些需要外面磁场探测仪大展身手;而气象丈量仪,则能为祝融提供种种气象条件,让我们领会这颗神秘行星的“呼吸脉络”。

问题九:祝融号着陆后,天问一号在干什么?

祝融号事情时代,天问一号的围绕器会一直主要忙碌为它服务,转发种种科研数据回归地球,同时向它转发来自地球的指令。

但围绕器自己也是个超级科研平台,它携带了7项仪器。由于围绕器航行在距离火星最近200余千米、最远12000余千米的大椭圆轨道,它们能在多种轨道高度对火星举行整体性、全球性、综合性研究。

靠近火星阶段(距离火星约220万千米),天问一号的围绕器就已经拍下了火星的美图(图片泉源:国家航天局)

围绕器带有中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱剖析仪、磁强计、离子与中性粒子剖析仪、能量粒子剖析仪等的超强组合。火星大气电离层怎么样?火星周边太阳风等行星际环境若何?火星外面和地下的水冰在那里?火星的土壤类型怎么样、怎么漫衍?火星的地形地貌有多壮观?它们若何转变?火星外面矿物和物质因素情形若何,那里会有“宝藏”?火星的已往和未来到底怎么样?有没有可能存在生命?有太多的感兴趣话题,都需要守候围绕器集中解答。

问题十:天问一号对中国和天下航天有什么意义?

探测火星从来都不是一件容易的事情,几千年来,中国文化一直用“荧惑”来形貌对它的未知,西方文化也把它想象成了象征着灾祸的战神(Mars/马尔斯)。人类进入航天时代后,对火星的探测掀起一波又一海浪潮,但也面临着极为残酷的挑战。20世纪60年月,开局就是6次惨烈的失败,直到今天总乐成率也仅为一半左右,无论乐成与否,每一个义务都造价不菲。

天问一号探测火星,祝融号着陆火星,不仅是中国航天工程义务难度的新突破,更是我国在行星科学领域的史无前例突破。天问一号的五大科学目的将为我国深空探测领域打下主要的基础,同时,也给天下带来了对火星研究的厚实弥补。宇宙是个联系的整体,通过洞察这颗行星的隐秘,我们也能一探地球的已往和未来,迈向更远的星辰大海。

中国天问系列行星探测义务logo(图源:国家航天局)

2000年前,屈原在长诗《天问》中发出的“九天之际,安放安属?”和“日月安属,列星安陈?”的旷世之问。2000年后,中国航天人要用现实行动给出解答:天问,问天!第一站就是火星,未来,另有更多的下一站来解答昔人的疑问。

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