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  “天问一号”着陆火星背后

  “天问一号”下降速度有多快?器器分离有多危险?如何保障通信?降落伞有何不同?5月15日,“天问一号”火星探测器成功着陆火星乌托邦平原,中国航天再次创造探索宇宙的里程碑。记者专访航天五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯、航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超、环绕器副总设计师朱庆华、GNC系统主任设计师聂钦博、软件设计师周誌元等相关专家,解答“天问一号”成功着陆背后的秘密。

  1 下降速度多快?

  9分钟内速度从2万千米/小时降为0

  火星的北半球多平原,南半球多山地,因此此次火星软着陆的地点就选择在火星北半球的乌托邦平原的南部。

  整个降落过程大致分为进入—减速—软着陆三步。航天五院总体设计部火星探测器总体主任设计师王闯介绍,“天问一号”在进入火星大气层以后首先借助火星大气,进行气动减速,这个过程它克服了高温和姿态偏差。气动减速完成后,“天问一号”的下降速度也减掉了90%左右。紧接着“天问一号”打开降落伞进行伞系减速,当速度降至100m/s时“天问一号”通过反推发动机进行减速,由大气减速阶段进入动力减速阶段。在距离火星表面100米时,“天问一号”进入悬停阶段,完成精避障和缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构的保护下,抵达火星表面。

  总的来说,整个过程“天问一号”在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至0。值得一提的是,虽然此前我国已有月表着陆经验,但是此次“天问一号”火星软着陆任务更加艰难。

  一方面火星表面存在大气,火星表面大气的密度是地球表面大气密度的1%左右,因此火星比月球的环境更复杂;另一方面火星离地球距离更加遥远,通信时延单程达到20分钟左右,因此整个着陆过程相距遥远的地球来不及做任何处置,只能靠“天问一号”自主完成,经历“未知九分钟”。

  航天科技集团五院总体设计部火星巡视器总体主任设计师陈百超表示:“我国是首次实施火星探测任务,对火星的环境,特别是大气,类似这些参数,我们没有一手数据。所以相当于我们到了一个完全未知的环境,这种难度可想而知。”

  2 器器分离有多危险?

  稍有不慎就撞向火星表面

  “天问一号”包括环绕器和着陆巡视器两部分,为实现着陆巡视器准确进入火星着陆轨道,环绕器需要首先在携带着陆巡视器的情况下控制到撞击火星的轨道,实施两器分离后,环绕器需要迅速抬升轨道,而着陆巡视器则进入火星大气层。这个分离前后的控制需要7个小时,环绕器作为搭载着陆巡视器的星际“专车”,需要顺序完成轨道降低发动机点火和关机、两器分离姿态建立、两器分离后轨道升高发动机点火和关机等一系列动作,而这些太空芭蕾般的优美舞姿,都需要环绕器自主、准确、可靠地完成。

  环绕器副总设计师朱庆华说:“可以说,器器分离的过程是我们控制算法精度、产品工作可靠性、故障预案周密性等最充分的考验。”

  每个环节都必须精准无误,分秒不能差,方案设计师王卫华打了个比方:“这就好比在室外,距离标准篮筐980米进行投篮,还必须事先考虑到投篮的角度、时机、投球力度,以及篮球自身旋转运动、风速和风向外部环境等种种因素的影响。”

  3 如何保障通信?

  环绕器成通信“中继站”

  升轨后的环绕器并不是大家想象中“卸载”后的一身轻松,此刻它需要迅速肩负起对火星表面进行遥感探测的任务,同时选择恰当的时机来将巡视器的数据“中继”传向地球。在距离地球2.93亿公里的轨道上准确指向地球,相当于要在2米开外瞄准绣花针孔,而且要在环绕器自身还在不断运动的情况下,时刻保持住瞄准状态。

  据介绍,环绕器携带有2块太阳电池阵、1幅高增益数据传输天线、1幅对巡视器数据中继天线。在环绕器执行数据中继任务时,需要驱动太阳电池阵对准太阳方向以保证自身电能的供应,同时需要高增益天线跟踪地球、中继天线指向巡视器以建立数据“鹊桥”。“此时,环绕器需要同时实现对巡视器、地球、太阳3个目标的高精度同步指向控制,绝对可以称得上是‘八面玲珑’了。”GNC系统主任设计师聂钦博说。

  由于天线波束角有限,设计师们要在确保对天线指向高精度控制的同时,对可能发生的通讯链路中断做出预案。

  “我们设计了一种通讯链路中断后的自主恢复策略。一旦发生通讯链路中断,探测器就会‘原地打转’,并在这一过程中,使天线扫到地球,进而恢复通讯链路。这一过程也是环绕器自主实现。”软件设计师周誌元介绍道。

  4 降落伞有何不同?

  开伞条件比较特殊

  “天问一号”采用目前国际上普遍使用的伞降减速方式,为安全着陆火星进一步减速。但在火星降落伞系统的设计、校核、仿真分析和试验验证方面,和其他国家还有诸多不同。

  “天问一号”降落伞首次采用锯齿形盘缝带伞,匹配国内最大的航天器火工装置弹伞筒,创新了伞绳插接工艺,深化了降落伞充气过程及物伞系统动力学仿真,基于我国的条件开展了降落伞高空开伞试验、直升机投放强度试验等充分的试验验证,在试验方法和技术上航天科技集团五院508所也联合国内合作伙伴完全自主完成,拥有完全自主的知识产权。

  “天问一号”采用一顶主降落伞、一次性充气展开减速的方案。降落伞是锯齿形盘缝带伞,伞的顶部是盘,接着有一圈缝,下面是带,带的尾部做成了锯齿形,有利于承力和确保稳定性。“天问一号”着陆巡视器进入火星大气后在自身的气动外形下减速,降落伞打开后又将其进一步减速到约95m/s,之后着陆巡视器进入悬停避障段。

  火星降落伞的开伞条件比较特殊,主要体现在超声速、低密度、低动压开伞。针对火星降落伞的特殊开伞条件,在伞的设计研制中,508所在从伞型的选择、设计参数的选取、材料的选用、局部结构的改进等方面,都采取了相应的特殊性措施。充分借鉴以往探空火箭相同伞型的经验,以及国外火星探测降落伞的成果,对盘缝带伞的设计参数进行了优化,首次使用了一些新研的特纺材料,并在伞绳连接等环节首次使用了插接工艺,相比缝纫工艺连接强度显著改善。

  ■ 背景

  “天问一号”着陆火星之旅

  我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项,计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视,对火星进行全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。“天问一号”探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器包括“祝融号”火星车及进入舱。探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正,于2月10日,成功实施火星捕获,进入大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星。

  任务实施过程中,中国国家航天局与欧空局、阿根廷、法国、奥地利等国际航天组织和国家航天机构开展了有关项目合作。

  火星探测风险高、难度大,探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战,同时受远距离、长时延的影响,着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。“天问一号”任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术,实现了我国首次地外行星着陆,是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。

  ●2020年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭将“天问一号”探测器发射升空,开启火星探测之旅。

  ●2020年8月2日7时整,“天问一号”探测器顺利完成第一次轨道中途修正,继续飞向火星。

  ●2020年8月28日10时08分,“天问一号”探测器累计飞行里程达到1亿千米。

  ●2020年9月20日23时,“天问一号”探测器顺利完成第二次轨道中途修正。

  ●2020年10月9日23时,“天问一号”探测器,顺利完成深空机动。“天问一号”探测器的飞行轨道变为能够准确被火星捕获的、与火星精确相交的轨道。

  ●2020年10月28日22时,“天问一号”探测器完成第三次轨道中途修正。

  ●2021年2月5日,国家航天局公布“天问一号”在距离火星约220万公里处获取的首幅火星图像。当日20时,“天问一号”探测器发动机点火工作,顺利完成地火转移段第四次轨道中途修正。

  ●2021年2月10日19时52分,“天问一号”探测器成功进入火星轨道。

  ●2021年3月26日,国家航天局发布2幅由“天问一号”探测器拍摄的南、北半球火星侧身影像。

  ●2021年5月15日,“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,中国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

  新京报记者 李玉坤

【编辑:陈海峰】


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