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最有希望成为人类第二家园的火星,为何成为探测器登陆的噩梦?

2018-12-09 09:55 编辑:TF020 来源:北京晚报

火星被视为太阳系内最有希望成为人类第二个家园的星球,因此虽然火星探测耗费巨大,但人类对火星的探索也从未停止。

记者蔡文清


新华社资料图

火星之旅依然困难重重

航天专家庞之浩说,目前人类向火星发射的43个探测器中,成功的仅有18个,成功率不到50%。由于火星距离地球遥远,对发射、控制、通信等技术提出了各种挑战,火星也被称为“探测器坟场”。

事实上,“洞察号”飞往火星的路程也是一波三折。2015年末,美国航空航天局曾经宣布,取消原定于2016年3月的洞察号火星探测器发射计划,因为当时“洞察号”携带的地震检测设备密封不严发生泄漏,美国航空航天局甚至表示考虑完全取消这项探测任务。所幸发生故障的设备最终被及时修复,较原计划推迟了26个月后,“洞察号”还是被成功发射并顺利登陆火星表面。那台灵敏度极高、能够检测到精确至原子尺度地面运动的设备将在火星上一展身手。

有人好奇,火星没有金星那样的有毒云层,地势也比较平坦,为什么会成为探测器登陆的噩梦?

原因就出在火星大气上,火星上稀薄的大气,让探测器下降的速度异常快,只能更大的降落伞来减速,美国航空航天局曾计算出如果让“洞察号”顺利降落,降落伞的直径需达到122米,而降落伞直径过大容易撕裂,有史以来测试过的最大降落伞直径也才46米。“好奇号”火星车降落伞直径为21米,远少于理论计算值。因为科学家发现,火星探测器登陆火星表现光靠扩大降落伞是不够的,必须要设计一套精准的流程,也就是“开伞减速+雷达锁定+制动火箭”。就拿“洞察号”着陆来讲,“洞察号”在艾利希平原着陆前以每小时约2.1万公里的速度进入火星大气层外缘,2分钟内时速降至约1600公里,随后下降、着陆。整个过程在约7分钟内完成,人们把这7分钟称为“恐怖的7分钟”。

钱航说,因为特殊的大气条件和降落环境,火星探测器的降落难度极大,特别是对时间的控制和精度的把握要求很高,如果开伞时间或者点火高度出了偏差,那就前功尽弃了,所以登陆火星真的是超级技术活儿。

美国航空航天局、欧空局、前苏联向火星表面发射的几十个探测器中,在登陆环节没有任何一家是零失误。第一个成功登陆火星的探测器是前苏联的火星3号,它在1971年12月2日登陆火星,不过它仅仅在火星表面工作了大约20秒,甚至没来得及发回一张照片,就和地球失去通信。其后,美欧各国又有多次尝试也都失败。虽然不少探测器在登陆火星的征途中折戟,但还是有很多火星车都成功登陆,包括大名鼎鼎的”勇气号”、”机遇号” 、”好奇号”火星车及此次发射成功的”洞察号”。目前,世界各国仍在部署后续的火星探测任务,预计在未来三年里,美国航空航天局研制的“2020火星车”将降落火星,以寻找火星上曾存在生命的证据。

“洞察号”集合各国智慧

“洞察号”火星探测器虽然是美国航空航天局发射的,但此次搭载的“洞察”利器可谓集各国智慧之结晶,

中科院国家空间科学中心钱航博士说,这些先进仪器中有法国空间局提供的内部结构地震实验设备。这一设备包括6个传感器,可测量多种频率的地面运动,置于密封箱中的传感器与精密校平结构将被直接放置在火星表面,并通过包含电源和数据线的系绳与着陆器相连。该设备能够获取星球内部的“影像”,就好比给行星做CT扫描,以探测火星上曾经存在的生命迹象。

1976年,美国的火星着陆器海盗1号和海盗2号在抵达火星时,也曾携带地震探测仪,但由于多种原因,传回的有效信息并不多。钱航说,这次洞察号探测器携带了更灵敏的地震仪,且有高分辨率火星勘测轨道飞行器影像帮助定位震源,未来结果非常值得期待。

德国宇航中心提供的热流和物理特性研究设备也搭载在“洞察号”上,它将首次精确测量从火星内部散发的热量,其将由洞察号的机械臂放置于火星表面,然后利用机械装置向下挖掘3到5米深,机械装置顶端的温度传感器将探测火星内部热量。这一设备还将利用辐射及剂测量火星表面温度。

此前美国航空航天局对于星球内部的热流探测已积累了一些经验,“阿波罗15号”和“阿波罗17号”都曾在月球安装热流探测仪,但由于未能估算好月球风化层岩石硬度,探测仪未能钻探到计划的深度。钱航说,这次给洞察号着陆选址时,科学家充分考虑了着陆区的风化层厚度和岩石硬度,以确保探测设备能够钻到5米深的地方。届时这套热流和物理特性研究设备会一点点将“触角”探入地下,通过测量所处位置的温度,确定从星体流失的热量有多少。

另外,美国喷气推进实验室领衔开发的旋转和内部结构实验设备也非常先进,而与“洞察号”共同发射的首个进入深空的立方体卫星“火星立方体一号”不仅用于验证立方体小卫星在深空的导航和持久能力,还能实时把洞察号降落火星过程中的信号接力传回地球。正是通过它们,人们在地球上以近乎直播的方式观察到了洞察号的着陆过程。

中国火星计划已经启动

火星探测项目也是我国继载人航天工程、嫦娥工程之后又一个重大空间探索项目,是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动。

今年3月,中国航天科技集团十一院研究员周伟江就曾透露,我国的火星探测器计划于2020年发射,目前已完成气动外形设计,以及气动力、气动热设计工作。

在嫦娥四号探测器和火星探测器总设计师孙泽洲看来,火星探测任务面临着许多技术挑战。首先是火星大气问题。火星大气气压很低,只有地球表面大气压力的1%,具有很高的不确定性。有关它的变化和风暴时特性等因素,科学家们还没有透彻的认识。火星在夏季常形成类似地球沙尘天气的尘暴,这会导致火星车接收的太阳光能量急剧下降,必须为火星车设计“休眠”模式,让其耐心地等待尘暴过去。其次是光照问题。火星距离地球最远4亿公里,距离太阳更远。同样面积下,火星接收太阳光的能量只有月球表面的40%。同时,火星大气对太阳光照还有削减作用,这为火星探测的能源供给带来难题。这就要求探测器的太阳翼面积更大,而且需不断调整,努力对准太阳方向。此外火星表面重力只有地球的38%,但是比月球表面的重力大多了,因此探测器需要更大的功率。

孙泽洲说,火星探测任务最核心、最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程,只有一次机会,必须确保成功。加之地球与火星距离遥远,整个过程无法由地面实时控制,必须依靠探测器自主完成。这些问题都带来了极大的技术挑战。

中科院国家空间科学中心博士、中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师钱航告诉记者,我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获得国家批复立项,计划在2021年实现火星探测器着陆火星。中国航天科技集团正在开展火星探测器和大型运载火箭的研制任务,将开展对4亿公里外的火星进行着陆巡视探测工作。按照任务计划,火星探测器将一步实现“绕、落、巡”工程目标,在一次任务中实现火星环绕探测和巡视探测的目标,获取自主火星探测科学数据,实现深空探测技术的跨越。科学目标是通过环绕器与火星车独立探测和联合探测,实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等科学探测。此外在2030年前后,中国还将实施三次深空探测任务。

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