刚刚,天问一号成功被火星捕获!火星,中国来了( 二 )


环绕火星一段时间后,天问一号的着陆器和巡视器结合体将与轨道器分离,重进火星大气。如何确保着陆器和巡视器安全减速,完好无损地着陆在火星表面是另一个关键的问题。我国计划使天问一号通过气动减速段、伞降减速段、动力减速段、着陆缓冲段四个阶段逐步减速,以安全到达火星表面。
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火星探测路线 来源:中国的航天
火星大气的密度只有地球的1%,探测器完成轨道姿态调整后,进入火星大气层时会经历“恐怖7分钟”。在短短7分钟的时间里,探测器的时速要从4.8千米/秒降低到0,而且还要调整好角度以避免外壳被大气层过渡加热而烧毁。
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降落段约持续7~8分钟
最难的是,地球控制中心对整个着陆过程完全无法把控,天问一号要完全靠着陆器自主识别着陆点,自己规划整个过程,这也是对天问一号AI系统的一次检验。顺利着陆后,天问一号将释放出火星车,对火星进行着陆探测和巡视探测。
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天问一号火星车地面测试
目前,人类研发出了三种方式进行火星软着陆,分别为气囊弹跳式、反推着陆腿式、空中起重机式。这三种方式各有利弊,我国的天问一号选择的反推着陆腿式,这一方式复杂,成本也较高,需要降落伞减速后反推发动机点火,使探测器再次减速,并在着陆前进行自主悬停避障,但这种方法能满足重量较大探测器的软着陆要求,着陆精度也相对较高。
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反推着陆腿式着陆
当然,人类也在探索新的着陆方式。据了解,NASA(美国航空航天局)就正在积极研制新型火星着陆装置——低密度超声减速器,以满足更大质量探测器的着陆减速要求。
二、发射到近火制动6个半月,天问一号经历了什么?将视线拉回到6个半月前,不少人聚集在中国文昌航天发射场不远处,举起手机或相机记录下了长征五号火箭将“天问一号”火星探测器送上天空的历史性一刻。
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搭载天问一号的长征五号火箭发射
5天后,也就是2020年7月27日,天问一号探测器在飞离地球约120万公里处回望地球,利用光学导航敏感器对地球、月球成像,获取了清晰的地月合影。此时,探测器已脱离地球引力影响范围,进入行星转移轨道。
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天问一号获取清晰地月合影
为确保天问一号在预定时间准确与火星交会,在地火转移段,探测器需要进行4~5次中途修正和1次深空机动。
2020年8月2日、9月21日、10月28日,2021年2月5日,天问一号累计完成了四次轨道中途修正。2020年10月9日,天问一号探测器主发动机点火工作480余秒,顺利完成深空机动。
中途修正是指在探测器飞行过程中,对各种原因导致的轨道偏离进行修正,使探测器更贴近理论轨道飞行。深空机动是运载火箭入轨弹道和地火转移轨道联合优化的结果,能够提升运载的发射能力、增加探测器的发射质量,使探测器可以携带更多的推进剂,更好地完成探测任务。
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探测器深空机动轨道示意图
由于实际飞行情况极其复杂,理论轨道是不可能完全实现的,必须经过轨道修正和深空机动尽量逼近。
其中,火箭推力对入轨精度的影响,太阳系内各种天体及其引力的影响,以及轨道修正及深空机动本身的误差都会使实际轨道与理论轨道有所偏离。综合看来,任何一个火星探测器都无法飞在一条理想的地火转移轨道上,中途会根据探测器需要,施行深空机动和不同次数轨道修正。
2020年10月1日国庆节,天问一号将一张与国旗“自拍”的图片传回地球。这是我国探测器首次深空“自拍”,为祖国送上生日祝福。探测器上的五星红旗,尺寸约为39×26厘米,略小于一张A3纸,重约144克,图案采用特殊材料和工艺喷涂。
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天问一号与国旗“自拍”图片
探测器飞行图像由其携带的分离测量传感器拍摄,利用探测器自身两侧安装的两个广角摄像头,每秒拍摄一张图像,用过Wi-Fi通信方式将图像传送给探测器,再由探测器转发给地面站。

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