据国家航天局消息,5 月 15 日 7 时 18 分,经由航天科技集团研制研发的火星探测器天问一号,经历了十个月的太空旅行后,携带其着陆巡视器成功着陆火星乌托邦平原。至此,中国成为了全球继美国后,第二个成功登陆火星的国家。
“天问一号”探测器总重约为 5 吨,由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器主要包括进入舱和“祝融号”火星车。该探测器于 2020 年 7 月从我国南部的文昌航天发射场发射升空。
祝融号火星车重 240 公斤,携带有地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、磁强计以及成分探测仪等共 6 台科学有效载荷。
近些年,各国密集开展了各种火星探测计划,除了天问一号,美国和沙特去年同一时间也相继发射了火星探测器。美国的探测器已于三个月前登陆火星,相比之下,我国的天问一号早发射却晚登陆,晚登陆的三个月其实包含着“大学问”。
经历“恐怖九分钟”,实现“巨大飞跃”从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段,历时“恐怖九分钟”。
下面是视频:
火星目前距离地球超过 3 亿公里,天问一号发出的讯号需要约 18 分钟才能传送到地球,因此科学家无法作出实时监察或操控,天问一号必须完全依靠自身计算机独立完成着陆全过程。
天问一号由轨道器、着陆器和巡视器组成,着巡组合体放置于气动外罩之中。15 日凌晨 4 时,轨道器首先与着巡组合体分离,它将继续绕着火星飞行,为着陆器和地球提供中继通信。
经过 3 小时后,在大约 125 公里的高度,着巡组合体以 11.2° 的进入角和 4.8 公里 / 秒的速度进入火星大气。
火星大气的密度不到地球大气密度的百分之一,这意味着大气对探测器的减速效果会很不好。虽然大气稀薄,但快速的降落摩擦还是会产生极强的气动加热效应,这将直接导致探测器表面的温度升高至 2000 度。
经过 5 分钟的大气减速后,降落伞打开,探测器会进一步充分减速,大约 40 秒后,隔热盾抛离,速度降为 250 米 / 秒。
到了距离火星表面 1.5 公里时,降落伞和气动外罩的上部分一同被抛离,并启动反推火箭进行减速。到了高度为 100 米时,着巡组合体悬停在空中,它所携带的雷达和光学相机将会寻找合适的降落点。
最终,天问一号于 7 时 18 分稳稳地降落于乌托邦平原 25.1°N 109.9°E 位置处。所携带的“祝融号”成为人类史上第六台探索火星表面的火星车。
意大利博洛尼亚射电天文学研究所的行星科学家奥罗西表示,"祝融" 火星车着陆成功,就意味着中国只用一次任务就实现了美国耗费数十年历经多次任务实现的目标,"这是巨大的飞跃"。
火星探测上演“三国演义”,跑得慢并不是实力弱前苏联、俄罗斯、英国等多国过去都尝试进行火星着陆任务,但除了中国外至今只有美国成功。前苏联在 1960 至 1970 年代多次尝试派出探测器在火星着陆,最终全数失败。而美国的维京一号在 1976 年降落火星,是首个成功降落的探测器。
天问一号是中国第二个主要的火星探测任务,上一个任务是 2011 年与俄罗斯合作的萤火一号,原本计划会环绕火星运行并收集数据,但搭载着萤火一号的俄罗斯火箭出现异常,令萤火一号无法离开地球轨道,最终掉回地球大气层烧毁。
地球跟火星的平均距离是 2.25 亿公里,最近距离低至 5500 万公里,最远距离则高达 4 亿公里。再加上各种因素,火星探测器的发射有着最佳的“窗口期”。而距今最近的发射窗口便是天问一号的发射日期,2020 年 7 月。
彼时,有三个国家前后发射了三艘火星探测器,分别是阿联酋的第一个火星探测器“希望号”,于 2020 年 7 月 20 日发射;我国的“天问一号”,于 7 月 23 日发射;美国 NASA 的“毅力号”,于 7 月 30 日发射。
2021 年 2 月 10 日 19 时 52 分,经过 6 个半月的飞行之后,天问一号顺利完成“刹车”减速,进入环火星轨道,成为我国首颗人造火星卫星。几天后,毅力号也在 2021 年 2 月 18 日抵达火星。
不同的是,毅力号火星车在抵达火星当天就直接着陆了,而天问一号则先绕行了火星三个月,今天才正式着陆。
为什么会这样呢?主要原因有三个:
首先,天问一号是我国发射的首个火星探测器,全球首次选择一次性完成“环绕、着陆、巡视”三步走探测方案。天问一号由环绕器、着陆平台和火星车三件套组成,环绕器进入环火星轨道之后可以一直带着着陆巡视组合体,有充足的时间来选择合适的着陆时机。
▲天问一号“绕”“着”“巡”三位一体
相比之下,NASA 的毅力号没有环绕器,用的是一个巡航级带着气动外罩(里面塞着火星车)飞往火星,也没有进入环火星轨道的设计。
等飞到了火星附近,巡航级一扔,无枝可依的气动外罩只能立刻扎进火星大气层开始着陆,没法等待。
那没有环绕器,NASA 的通讯中继怎么办?这倒不是毅力号不需要通讯中继,主要是美国已经发射了许多火星探测器,现在在火星轨道上工作的环绕器还有好几个,完全够用。
▲天问一号(左)和毅力号(右)探测器