技術(shù)
導(dǎo)讀:5月15日7時(shí)18分,天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū),我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功。
5月15日7時(shí)18分,天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū),我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功。
我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)于2016年正式批復(fù)立項(xiàng),計(jì)劃通過(guò)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視,對(duì)火星進(jìn)行全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè),在火星表面開(kāi)展區(qū)域巡視探測(cè),天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成,著陸巡視器包括祝融號(hào)火星車(chē)及進(jìn)入艙。探測(cè)器自2020年7月23日成功發(fā)射以來(lái),航行295天,約3.2億千米,最終抵達(dá)火星表面。后續(xù)火星探測(cè)器“祝融”將依次開(kāi)展對(duì)著陸點(diǎn)全局成像、自檢、駛離著陸平臺(tái)并開(kāi)展巡視探測(cè)。
2020年7月23日,天問(wèn)一號(hào)在海南文昌由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射
2021年2月10日,實(shí)施火星捕捉,進(jìn)入大橢圓環(huán)火軌道(成為火星衛(wèi)星);
2021年2月24日,實(shí)施第三次近火制動(dòng),開(kāi)始兩個(gè)周期的火星日49.2小時(shí),停泊軌道、探測(cè);
2021年5月15日凌晨1時(shí)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在停泊軌道實(shí)施降軌,機(jī)動(dòng)至火星進(jìn)入軌道;
2021年5月15日4時(shí),著陸巡視器與環(huán)繞器分離,歷經(jīng)約3小時(shí)飛行后,進(jìn)入火星大氣,經(jīng)過(guò)約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖,成功軟著陸于預(yù)選著陸區(qū)。
一、光學(xué)敏感器——茫茫太空的指南針
從地球發(fā)射天問(wèn)一號(hào)到火星,要航行3.2億千米,在這個(gè)過(guò)程中,探測(cè)器如何才能不迷路呢?關(guān)鍵點(diǎn)就是安裝在環(huán)繞器上的光學(xué)敏感器。天問(wèn)一號(hào)搭載了兩臺(tái)用于深空探測(cè)光學(xué)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵產(chǎn)品——一臺(tái)是光學(xué)導(dǎo)航敏感器,一臺(tái)是紅外導(dǎo)航敏感器。光學(xué)導(dǎo)航敏感器是用于巡航段,是遠(yuǎn)距離對(duì)火星成像。紅外導(dǎo)航敏感器用于環(huán)繞段,也就是天問(wèn)一號(hào)成為火星衛(wèi)星的時(shí)候,用它來(lái)進(jìn)行測(cè)量(天問(wèn)一號(hào))探測(cè)器的軌道位置和速度。
天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器上配置的光學(xué)導(dǎo)航敏感器,可以利用拍攝的恒星與火星圖像,精確計(jì)算出自身的飛行姿態(tài)、位置與速度,實(shí)現(xiàn)相對(duì)火星的自主導(dǎo)航。光學(xué)導(dǎo)航敏感器就好比天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器自動(dòng)駕駛過(guò)程中的眼睛。在飛近火星的過(guò)程中,探測(cè)器靠這雙“眼睛”實(shí)時(shí)觀測(cè)火星的距離和方向,讓飛控團(tuán)隊(duì)可以更直觀地確認(rèn)飛行軌道和姿態(tài),計(jì)算圖像中火星的幾何中心和視半徑,天問(wèn)一號(hào)也就可以通過(guò)最優(yōu)估計(jì)算法,來(lái)自主獲取實(shí)時(shí)的位置和速度信息。
這也是我國(guó)首次在行星際轉(zhuǎn)移飛行過(guò)程中應(yīng)用光學(xué)自主導(dǎo)航技術(shù)。
二、被火星捕捉+停泊軌道期間的四次變軌
探測(cè)器自2020年7月23日成功發(fā)射以來(lái),在地火轉(zhuǎn)移階段完成了1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正。2月10日,天問(wèn)一號(hào)實(shí)施了火星捕捉,進(jìn)入火星軌道。
在探測(cè)器抵達(dá)火星軌道附近時(shí),距離火星只有400公里但相對(duì)火星的速度卻高達(dá)4至5公里每秒。因此,探測(cè)器必須點(diǎn)火制動(dòng)、及時(shí)“剎車(chē)”。否則,如果制動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、剎車(chē)踩早了,探測(cè)器就會(huì)一頭撞向火星;如果時(shí)間過(guò)短、晚踩剎車(chē),探測(cè)器就會(huì)因速度過(guò)快而飛離火星,無(wú)法進(jìn)入環(huán)繞軌道。
2月10日,探測(cè)器第一次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)進(jìn)行捕獲制動(dòng),成功實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞,進(jìn)入周期為10天的大橢圓軌道;
2月15日,探測(cè)器第一次到達(dá)遠(yuǎn)火點(diǎn)時(shí)進(jìn)行變軌,調(diào)整軌道平面與近火點(diǎn)高度,環(huán)火軌道變?yōu)榻?jīng)過(guò)火星南北兩極的極軌;
2月20日,探測(cè)器第二次到達(dá)近火點(diǎn)時(shí)進(jìn)行制動(dòng),進(jìn)入周期約為4天的調(diào)相軌道,使其在運(yùn)行一圈再次到達(dá)近火點(diǎn)附近時(shí),能夠正好經(jīng)過(guò)預(yù)定著陸區(qū)上空。
雖然探測(cè)器在第三次到達(dá)近火點(diǎn)附近時(shí)已經(jīng)位于預(yù)定著陸區(qū)上空,但由于火星自轉(zhuǎn),如果不進(jìn)行一次軌道調(diào)整,探測(cè)器在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都將難以再次飛過(guò)預(yù)定著陸區(qū)。因此,需要再進(jìn)行一次近火制動(dòng),進(jìn)入停泊軌道,讓探測(cè)器能夠每次回到近火點(diǎn)附近時(shí),都正好飛過(guò)預(yù)定著陸區(qū)。
2月24日,天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器第三次運(yùn)行至近火點(diǎn)時(shí)順利實(shí)施第三次近火制動(dòng),成功進(jìn)停泊軌道。進(jìn)入周期2個(gè)火星日的火星停泊軌道后,對(duì)火星開(kāi)展全球遙感探測(cè),并對(duì)預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行詳查,探測(cè)分析地形地貌、沙塵天氣等,為著陸火星做準(zhǔn)備。之前就有火星探測(cè)器由于火星大范圍沙塵的原因無(wú)法工作,所以探測(cè)器著陸還必須要考慮到天氣的因素。探測(cè)器在該停泊軌道上大約運(yùn)行2.5個(gè)月,在計(jì)算的最佳的時(shí)間點(diǎn)——五月中旬著陸。
三、驚險(xiǎn)九分鐘——火星車(chē)“祝融”無(wú)指揮著陸
天問(wèn)一號(hào)著陸是整個(gè)火星探測(cè)中最重要、難度最高的環(huán)節(jié)。在人類(lèi)已實(shí)施的47次火星探測(cè)任務(wù)中,成功或部分成功的只有25次。而火星著陸任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)更高,22次著陸任務(wù)中(著陸火星19次、著陸火星衛(wèi)星3次)只有10次取得成功,成功率為45%。
5月15日1時(shí),天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在停泊軌道實(shí)施降軌,機(jī)動(dòng)至“火星進(jìn)入軌道”;降軌完成后,建立兩器分離姿態(tài),經(jīng)地面判斷允許后釋放著陸巡視器。
4時(shí),著陸巡視器與環(huán)繞器分離,歷經(jīng)約3小時(shí)飛行后,著陸巡視器進(jìn)入火星大氣,經(jīng)過(guò)約9分鐘的減速、懸停避障和緩沖,7時(shí)18分成功軟著陸于預(yù)選著陸區(qū)。
探測(cè)器著陸要在九分鐘內(nèi)完成傘降控制、動(dòng)力減速、懸停成像、避障機(jī)動(dòng)、緩速下降等多個(gè)動(dòng)作。由于從火星到地球的通信延遲以達(dá)到二十分鐘,探測(cè)器必須自己判斷如何著陸。
另一邊,環(huán)繞器在兩器分離約30分鐘后,升軌返回停泊軌道,為著陸巡視器提供中繼通信。
著陸巡視器安全著陸后,將進(jìn)行桅桿、太陽(yáng)翼、天線、車(chē)輪等機(jī)構(gòu)的釋放展開(kāi);“祝融號(hào)”火星車(chē)會(huì)駛離著陸平臺(tái),開(kāi)展火星表面巡視探測(cè)。而環(huán)繞器除了給火星車(chē)提供中繼通信外,還將利用搭載的7種科學(xué)載荷,對(duì)火星表面及其次表層開(kāi)展科學(xué)探測(cè),完成火星全球遙感探測(cè)任務(wù)。
自力更生的天問(wèn)一號(hào)
雖然我國(guó)是世界上第二個(gè)成功著陸火星的國(guó)家,但對(duì)火星依然知之甚少,例如精確的地形地貌。在著陸前我們需要有高分辨率影像數(shù)據(jù)觀測(cè)地形,但之前美國(guó)火星探測(cè)器拍攝到的圖片還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,同年二月美國(guó)的毅力號(hào),在出發(fā)之前就能握有一份高清的著陸地地形圖,而我國(guó)由于第一次去火星,著陸地烏托邦平原地形圖的信息還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所以在著陸之前,天文一號(hào)要拍攝足夠的HiRISE影像,也是為何在火星軌道上停留幾個(gè)月的原因之一。
不僅如此,天問(wèn)一號(hào)由火星車(chē)和環(huán)繞器組成,環(huán)繞器為給火星車(chē)做通訊中繼,我國(guó)是第一次到火星,沒(méi)有接應(yīng),所以一應(yīng)裝備也要自己帶全。
四:星辰大海是征途
我國(guó)航天航空事業(yè)在國(guó)家的宏觀調(diào)控下一直穩(wěn)步前行:
1956年,中國(guó)第一個(gè)火箭與導(dǎo)彈研究機(jī)構(gòu)成立。1956年也被認(rèn)為是中國(guó)導(dǎo)彈夢(mèng)、航天夢(mèng)的元年。
1970年,中國(guó)用第一枚運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征一號(hào)”將第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”送入太空
1999年,中國(guó)第一艘無(wú)人試驗(yàn)飛船“神舟一號(hào)”成功發(fā)射,隨后“神州二號(hào)”“神州三號(hào)”“神州四號(hào)”陸續(xù)順利發(fā)射升空。
2003年,航天員楊利偉穿越大氣層,不遠(yuǎn)萬(wàn)里為浩瀚星空增添了一抹中國(guó)紅,標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)將人類(lèi)送上太空的國(guó)家。
2007年,嫦娥奔月再也不是幻想,“嫦娥一號(hào)”用相機(jī)掀開(kāi)了月球表面神秘的面紗。
2013年,“嫦娥三號(hào)”成為中國(guó)第一個(gè)月球軟著陸的無(wú)人登月探測(cè)器。
……
從古至今,人們對(duì)天空的探索就從未停止過(guò)。
遠(yuǎn)古時(shí)期開(kāi)始,祖先就有了對(duì)日升月落天體現(xiàn)象的想象,編織出美麗的神話,女?huà)z補(bǔ)天、夸父逐日;
屈原感概天地浩蕩,擬《天問(wèn)》——“遂古之初,誰(shuí)傳道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢暗,誰(shuí)能極之?馮翼惟象,何以識(shí)之?……”;
明朝有官員萬(wàn)戶想利用火箭飛天,缺因火箭爆炸而殞命;
……
動(dòng)畫(huà) 三體之章北海傳
古人對(duì)天空的探索精神一直延續(xù)到今天,我們擁有更高端的科技,讓嫦娥奔月的神話變得不再是空談,面對(duì)浩瀚無(wú)垠的宇宙也一直保持著敬畏之心。
參考資料:
茫茫太空如何不迷路?看天問(wèn)一號(hào)自主導(dǎo)航秘密武器
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699878924039564406&wfr=spider&for=pc
“天問(wèn)一號(hào)”成功“落火”!這9分鐘多驚險(xiǎn)?
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699880741171717338&wfr=spider&for=pc
明明我國(guó)天問(wèn)號(hào)比美國(guó)火星車(chē)早發(fā)射,為什么晚三個(gè)月才登上火星? - haibaraemily的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/445286711/answer/1886313460
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