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飞掠、环绕、降落、巡视,一次性把目前火星探测的四大类型任务说清楚

发布日期:2020年07月13日 来源 : 中国航天日微信公众号 字体: 【大】【中】【小】

  火星是地球的邻居,但这个邻居并不算“近邻”。数据对比而言,地球赤道一周4万千米,光速仅需0.13秒便可环游。但地球与火星的距离在5500万-4亿千米之间变化,单程都需3-22分钟之久。更何况地球与火星每隔780天左右才有一次会合机会,会合前几个月的时间窗口适合开展火星探测,单程6-11个月的探测时间。茫茫深空中,失之毫厘,谬以千里,探测器的探索之旅着实不易。人类火星探测进行了60年,所有探测成功率仅一半左右,难度可想而知。

  根据技术发展过程和任务目标需求,人类目前探测火星的任务主要分为四种,分别是:仅惊鸿一瞥的飞掠任务、可登高望远的环绕任务、能观天测地的降落任务、可自由移动的巡视任务未来还将有第五种:采样返回任务。


目前四种火星探测任务示意图

  惊鸿一瞥:飞掠任务

  顾名思义,这种任务只是在火星附近飞速掠过,趁着极短的时间抓住一切可能记录有用数据,随后滑入深空。相比动辄数月的深空旅行时间,观测火星的真正有效时间仅在1天左右。对于以火星探测为最主要目标的昂贵任务而言,这是非常不理想的设计。然而,人类在60年代开启火星探测时,由于火箭运输能力不足、探测器自身推进系统能力有限、轨道控制和确定精度不足等原因,很难让探测器制动减速留在环绕火星轨道,采取飞掠方式实属无奈之举。那时,能实现工程验证目标、得以一瞥火星真容就成为飞掠任务的核心,甚至连这个目标都很难:1960-1964年,苏美开启的火星探测大幕开局就是6次惨烈的失败。


水手四号和距离火星最近时拍到的火星细节©️NASA


  失败并不可惧,一切总会迎来曙光。1964年11月28日发射的水手四号终于成功,它于1965年7月15日最近距离火星约1万千米飞掠而过。在短暂观测时间内,探测器努力控制住镜头和各种科学仪器对准火星,记录了22张火星图片和磁场、温度、大气等研究数据,随后滑入深空,与火星永远再见。

  随着技术逐渐成熟,以飞掠为目标的火星探测任务逐渐消失,但也有一些探测地球外侧星体的任务“兼职”飞掠探测火星。例如探测彗星的罗塞塔号、探测小行星带的黎明号都曾飞掠火星,2018年发射的洞察号着陆器也带了两颗微小卫星飞掠火星。

  登高望远:环绕任务

  随着航天技术的进步,探测器靠近火星后已经可以依靠自身动力制动进入环绕火星的大椭圆轨道。如果推进能力更强、或者借助火星顶部稀薄大气缓慢“大气刹车”,甚至可以直接变轨成圆形轨道,保持稳定的轨道高度更有效观测火星。

  由于环绕器(轨道器)可长期环绕火星,登高望远,在此过程中采集海量数据,全方位研究火星的磁场、大气层、重力场、水、浅层土壤等方面,极大丰富了人类对火星的认知。此外,环绕器还能起到至关重要的信号中继作用,服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。其中一个著名的任务是2001年发射的奥德赛号,它已经工作了19年,且这个数据还在不断延长!


火星奥德赛号©️NASA


  观天测地:降落任务

  降落(软着陆)任务的最大优势是能仔细研究火星表面的各种细节,尤其是对水、气象、底部大气、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。但需要说明的是,由于重量和能量限制,着陆器自身不可能携带巨大的天线与地球直接联络,它仅能将所有信息发给火星上空的环绕器,让后者代为转发。著名任务如2018年发射的洞察者号,它可以深入火星内部数米,研究火星内部热流和地震等。


洞察者号着陆器©️NASA


  火星降落是人类航天的“天顶”科技之一,最典型特点是着陆系统需要完全自主导航控制完成着陆之旅。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右,远不够完成一次地火通讯,这意味着全程多个复杂的动作,例如剧烈冲击下姿态控制、超声速下打开降落伞、抛隔热大底、降落伞和支撑结构脱离、反推火箭工作、悬停避障、减速软着陆等必须依靠着陆器自主完成,因此对软件和硬件的要求极高。


  自由移动:巡视任务

  巡视器又名火星车,它相比固定的着陆器而言,最大优势在于可以随处移动,意义不言而喻。由于不带有固定着陆器必须携带的推进剂储罐、着陆腿、支撑结构、控制机构等复杂部分,巡视器可以集中于科研载荷,从事多地点多方面的精细研究。因此,火星车是近些年火星探测的核心,复杂程度越来越高,待机工作时间也越来越长。一些著名的任务,例如勇气号、机遇号火星车使用太阳能电池板实现了远超预期90天的工作时间。昂贵的好奇号火星车花费超过25亿美元,它采用了放射性同位素电机(又名核电池)为主要动力,可以全天候工作,且超能长待机,着陆火星8年后至今仍在火星工作。(毛新愿)


好奇号火星车在火星的自拍,为视觉效果机械臂已经抹去©️NASA

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