登上火星,到底有多難多恐怖

登陸火星有多難?

2020年之前,人類一共發起44次火星探測,成功率不到五成。以登陸爲目的項目中,成功案例更是屈指可數。5月14日之前,只有美國的九臺探測器順利着陸,並開展了探測任務

中國的“天問一號”,剛剛成爲火星最新的客人

“天問一號”由環繞器和着陸巡視器組成,環繞器主要負責環火星探測,着陸巡視組合體包括進入艙和火星車,將執行着陸和巡視。

天問一號模擬圖 來源:cgtrader

地球到火星,它需要一次完成“飛行、環繞、降落、巡視”四項任務,技術複雜、風險巨大,在人類的火星探測史上前所未有。

“天問一號”是怎麼到達火星的?

把探測器送離地球,首先需要強大的火箭

長征五號”大推力運載火箭,是中國現役運載能力最強的火箭,高約57米,重達800多噸,身上搭載的設備超1000臺,有數個巨型燃料箱爲它提供動力

火箭將探測器送入預定軌道之後,就與之分離。

但是,探測器並不是直奔火星。火星和地球環繞太陽的公轉速度不一致,把探測器對準火星,只會讓它錯過目標

地球和火星之間的交通,常常通過“霍曼轉移”,利用地球自身的公轉速度,降低燃料成本

在合適的時機,地球軌道上的探測器增加速度,進入中轉軌道。在中轉軌道的遠日點,探測器和火星會合,進入火星軌道。

美國之前發射的火星探測器Maven,就是這樣到達火星的

這樣的機會,每26個月纔有一次。

“天問一號”成功脫離地球之後,還要跨越兩大難關:制動捕獲,以及降落火星。

制動捕獲,就是讓探測器從中轉軌道進入火星軌道。主發動機點火反推,實現減速,從而被火星引力場捕獲。

這個時機只有一次,關係着整個工程任務的成敗。探測器點火的時機、時長、乃至點火姿態都不能有絲毫偏差;稍有失誤,探測器就可能一頭栽上火星,或者和火星擦肩而過。

2021年2月10日19:52,“天問一號”探測器探測器順利進入近火點高度約400km的大橢圓環火軌道,成爲中國第一顆人造火星衛星

2月15日,“天問一號”在“遠火點”進行了一次軌道調整的“側手翻”,軌道變爲近火點高度約265km、經過火星兩極的環火軌道。此後,“天問一號”還多次進行近火制動,不斷“調低”繞火軌道,爲着陸做準備。

隨着“天問一號”距火星越來越近,着陸巡視器與環繞器分離,奔向各自的任務。

環繞器需要迅速升軌,返回火星停泊軌道,而着陸巡視器則要面臨降落前的最後一道關卡:在短短几分鐘時間內,探測器需要將2萬多千米/小時超高速降爲零。

要達到這一點,在降落的不同階段,探測器需要藉助不同的手段

這是美國“毅力號”火星探測器登陸火星的過程 來源:NASA

首先要藉助火星的大氣層。探測器從運行軌道自由下落,與大氣層劇烈摩擦,在大約290秒之內,速度從4.8千米/秒降低到460米/秒。巨大速度足以讓探測器在着陸之前被燒壞,因此,隔熱盾的技術成爲了一大挑戰

然後,探測器的降落傘打開。這一步聽起來很簡單,但是探測器此時處在460米/秒的超音速狀態,如何保證降落傘能在這個速度下打開並正常使用,是科學家們需要解決的又一難題

在降落傘的作用下,探測器速度下降至約95米/秒;下一步就要藉助反推發動機,在80秒內,把速度降到3.6米/秒以下。

直到探測器距離火星表面約100米,“懸停”狀態下找出最佳着陸點,然後緩速着陸。

此後,祝融號火星車將駛下着陸平臺,開始巡視和科學探測任務。

“祝融”號模擬圖 來源:cgtrader

探測器距離地球遙遠,通信延時超過10分鐘,地面無法實時監控,整個過程必須依靠探測器自主執行。

要保障各個組件不被損壞,又精準到達着陸點——這樣的難度,就像是“從巴黎打出高爾夫球,落在東京的一個洞裡。”

至此,中國將成爲世界上第二個實現火星車安全着陸和巡視探測的國家