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人类探测火星到底有多难

来源:咸宁网 时间:2018-11-27 11:15

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飞了6个月,“洞察”号即将到达目的地

历经6个多月的航行,“洞察”号无人探测器终  于抵近目的地——火星。美国航天局宣布,“洞  察”号计划于本月26日在火星着陆。  

“洞察”号于今年5月5日升空,执行人类首次  探究火星“内心深处”奥秘的任务。按照计划,它  将于美国东部时间26日15时许(北京时间27日4  时许)在火星着陆。

这个有着“三条腿、一根手臂”的客人抵达火  星表面以后,将展开两个圆形可折叠太阳能板,伸  展机械臂,利用地震调查、温度测量等方法,去了  解火星的内部结构,探究火星地震和火星内核的  奥秘。“为什么每颗行星都有与众不同的特点,这  些答案都在行星早期历史的细节中”。美国宇航  局专家说。

路途漫漫且环境险恶,火星被称为“探测器坟场”

火星被称为“探测器坟场”,因为至今人类已  发射了 40 多个火星探测器,而成功率仅约 50%。  主要原因是火星距地球遥远,探测器要飞几亿千  米才能到达火星,所以对发射、轨道、控制、通信和  电源等不少技术都提出了很高的要求。  

例如,运载火箭的运载能力、入轨精度和可靠  性是火星探测的重要前提,最好用大推力运载火  箭把探测器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度,  直接进入地火转移轨道飞往火星,如果需要消耗  探测器自身燃料和较多的飞行时间来加速,就会  影响探测器寿命。印度就是由于运载火箭推力  小,所以其首个火星探测器多花了很多时间和燃  料才抵达火星。  

通信问题也不是易事。从地球发送到火星的  无线电信号延时很长,单程需要20分钟左右,因此  火星探测器需有较强的自主控制能力;另外,由于  信号的强度与距离的平方成反比,距地球太遥远  的火星需要装有高增益、高可靠通信设备,以及必  须拥有天线直径很大的地面深空测控网以增加探  测距离。即使这样,还是有不少火星探测器因通  信故障而失踪。例如,1992年9月25日发射的美  国“火星观测者”轨道器,在1993年8月21日即将  进入火星轨道之前失去通信联系。  

由于路途漫漫,火星探测器在飞往火星的途  中要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道  修正。如果在地火转移轨道近地点有1米/秒的速  度误差或1千米的高度误差,飞到火星附近时就将  产生10万千米的位置误差。轨道修正是通过分布  在地球表面的深空测控网实现的。该网常由3个  在全球彼此相隔120的地面通信站组成,天线直径  达64至70米。美国“勇气”号火星车在降落在火  星表面前,先后修正了4次航线。  

太阳风暴的影响也须警惕。日本首个火星探  测器“希望”号原定于2003年12月14日进入火星  轨道,就是受到太阳风暴影响,电路系统出现故  障,变轨发动机无法启动,最终导致探测器不能切  入火星轨道而告失败。  火星环境复杂、恶劣,也是造成火星探测器经  常“阵亡”的主要原因。火星大气密度只有地球大  气密度的1%,因而辐射严重,沙尘暴也很大,有时  是地球上12级台风的6倍,且可持续达半年,今年  美国“机遇”号火星车就是因沙尘暴而停止了工作。

“恐怖7分钟”!着陆期间风险最大

眼下,对于“洞察”号来说,正是最让人担心的  时刻。像其他火星着陆器一样,“洞察”号整个任务  分为发射、巡航、进入下降和着陆、表面操作四个阶  段,而其中风险最大的是进入下降和着陆阶段。  

探测器进入火星轨道的难度,被比喻为从巴  黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞  里。这是由于通信延时很长,所有数据都要提  前注入。在探测器切入火星轨道过程中,如切  入点离火星过远,则不能被火星引力捕获而掠  过火星;如切入点离火星太近,则可能坠毁于火  星大气层。  

如果探测器要在火星表面着陆,难度就更大  了。因为在探测器进入火星大气时离地球很远,  遥测和遥控信号比较微弱;另外,当探测器运行到  火星背面时,地球上无法准确地确定其轨道参数,  这就给再入高度的选择带来困难。由于受通信延  时的影响,所以在火星着陆的全过程中,一切都要  靠探测器自主进行。  

进入火星大气层后,探测器防热措施如何,降  落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作,都必须  非常精确,整个过程被称为“恐怖7分钟”。  

所以,探测器在火星着陆的每个环节都不能  有闪失。许多探测器都因为小细节功亏一篑。例  如,1999 年 9 月 23 日,美国“火星气候”轨道器在  即将进入预定轨道前烧毁,原因是在轨道切入操  作中,将英制和公制单位混淆,造成导航误差,使  其飞离火星太近而烧毁。  

原定1999年12月3日在火星着陆的美国“火  星极区”着陆器,是因为软件错误导致其起减速作  用的火箭发动机过早关闭,最终撞毁。

2003年12月,欧洲“猎兔犬2”号  着陆器由于着陆后太阳电池板没有完  全展开,最终失去电力而与外界失联。  

2016年10月20日,欧洲“火星生  物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降  落和着陆演示器,因为一个 1 秒的计  算失误,导致降落伞与防热罩提前分  离,最终硬着陆而撞毁。

着陆方式主要有三种,各有优缺点

目前,探测器在火星的软着陆方  式主要有三种,每种方案都各有优缺  点。  

一是气囊弹跳式。这种方式比较  简单,成本低,但只能满足重量小的探  测器软着陆要求,且着陆精度不高。  美国“火星探路者”、“火星漫游者”  (“勇气”号和“机遇”号火星车)都采用  降落伞+气囊弹跳方式。  二是反推着陆腿式。这种方式复  杂一些,成本高,可满足重量较大的探  测器软着陆要求,着陆精度较高。美  国“海盗”号、“凤凰”号、“洞察”号和欧  洲的“猎兔犬 2”号、“夏帕雷利”都采  用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿  方式。  

三是空中起重机式。这种方式最  为复杂,成本最高,技术最先进,可满  足重量更大的探测器软着陆要求,能  精确着陆。携带“好奇”号火星车的美  国“火星科学实验室”采用降落伞+缓  冲发动机反推+空中起重机方式。  

如今,所有的火星着陆器全部采  用刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞  的减速方案来完成超声速减速工作。2012年在火星表面实现软着陆的“好  奇”号火星车是至今质量最大的火星  着陆器,达960千克。  

可以说,“好奇”号已把刚性减  速器和“盘-缝-带”降落伞这项减  速技术所能承受的重量推到极限,  而未来的载人火星任务涉及的重量  将达到 20 吨以上,因此现有的 3 种  着陆方式都无法保证大质量航天器  安全软着陆。  

为了完成未来的载人登陆火星任  务,美国正在积极研制新的火星着陆  装置——“低密度超声速减速器”。当  着陆器以大约 3.5 马赫的速度进入火  星大气时,该装置能像夏威夷气鼓鱼  一样迅速充气,以增加表面积,进而增  加空气阻力,使着陆器的速度减至 2  马赫。此时,直径33米的巨型超声速  环帆降落伞打开,帮助火星着陆器安  全着陆。 (本报综合)



编辑:chenguo

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