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                                                    人類探測火星到底有多難

                                                    來源:咸寧網 時間:2018-11-27 11:15

                                                    W020181127409107875334.png

                                                    飛了6個月,“洞察”號即將到達目的地

                                                    歷經6個多月的航行,“洞察”號無人探測器終  于抵近目的地——火星。美國航天局宣布,“洞  察”號計劃于本月26日在火星著陸。  

                                                    “洞察”號于今年5月5日升空,執行人類首次  探究火星“內心深處”奧秘的任務。按照計劃,它  將于美國東部時間26日15時許(北京時間27日4  時許)在火星著陸。

                                                    這個有著“三條腿、一根手臂”的客人抵達火  星表面以后,將展開兩個圓形可折疊太陽能板,伸  展機械臂,利用地震調查、溫度測量等方法,去了  解火星的內部結構,探究火星地震和火星內核的  奧秘。“為什么每顆行星都有與眾不同的特點,這  些答案都在行星早期歷史的細節中”。美國宇航  局專家說。

                                                    路途漫漫且環境險惡,火星被稱為“探測器墳場”

                                                    火星被稱為“探測器墳場”,因為至今人類已  發射了 40 多個火星探測器,而成功率僅約 50%。  主要原因是火星距地球遙遠,探測器要飛幾億千  米才能到達火星,所以對發射、軌道、控制、通信和  電源等不少技術都提出了很高的要求。  

                                                    例如,運載火箭的運載能力、入軌精度和可靠  性是火星探測的重要前提,最好用大推力運載火  箭把探測器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度,  直接進入地火轉移軌道飛往火星,如果需要消耗  探測器自身燃料和較多的飛行時間來加速,就會  影響探測器壽命。印度就是由于運載火箭推力  小,所以其首個火星探測器多花了很多時間和燃  料才抵達火星。  

                                                    通信問題也不是易事。從地球發送到火星的  無線電信號延時很長,單程需要20分鐘左右,因此  火星探測器需有較強的自主控制能力;另外,由于  信號的強度與距離的平方成反比,距地球太遙遠  的火星需要裝有高增益、高可靠通信設備,以及必  須擁有天線直徑很大的地面深空測控網以增加探  測距離。即使這樣,還是有不少火星探測器因通  信故障而失蹤。例如,1992年9月25日發射的美  國“火星觀測者”軌道器,在1993年8月21日即將  進入火星軌道之前失去通信聯系。  

                                                    由于路途漫漫,火星探測器在飛往火星的途  中要進行比月球探測器次數更多、更精確的軌道  修正。如果在地火轉移軌道近地點有1米/秒的速  度誤差或1千米的高度誤差,飛到火星附近時就將  產生10萬千米的位置誤差。軌道修正是通過分布  在地球表面的深空測控網實現的。該網常由3個  在全球彼此相隔120的地面通信站組成,天線直徑  達64至70米。美國“勇氣”號火星車在降落在火  星表面前,先后修正了4次航線。  

                                                    太陽風暴的影響也須警惕。日本首個火星探  測器“希望”號原定于2003年12月14日進入火星  軌道,就是受到太陽風暴影響,電路系統出現故  障,變軌發動機無法啟動,最終導致探測器不能切  入火星軌道而告失敗。  火星環境復雜、惡劣,也是造成火星探測器經  常“陣亡”的主要原因。火星大氣密度只有地球大  氣密度的1%,因而輻射嚴重,沙塵暴也很大,有時  是地球上12級臺風的6倍,且可持續達半年,今年  美國“機遇”號火星車就是因沙塵暴而停止了工作。

                                                    “恐怖7分鐘”!著陸期間風險最大

                                                    眼下,對于“洞察”號來說,正是最讓人擔心的  時刻。像其他火星著陸器一樣,“洞察”號整個任務  分為發射、巡航、進入下降和著陸、表面操作四個階  段,而其中風險最大的是進入下降和著陸階段。  

                                                    探測器進入火星軌道的難度,被比喻為從巴  黎打一個高爾夫球,正好落到東京的某個球洞  里。這是由于通信延時很長,所有數據都要提  前注入。在探測器切入火星軌道過程中,如切  入點離火星過遠,則不能被火星引力捕獲而掠  過火星;如切入點離火星太近,則可能墜毀于火  星大氣層。  

                                                    如果探測器要在火星表面著陸,難度就更大  了。因為在探測器進入火星大氣時離地球很遠,  遙測和遙控信號比較微弱;另外,當探測器運行到  火星背面時,地球上無法準確地確定其軌道參數,  這就給再入高度的選擇帶來困難。由于受通信延  時的影響,所以在火星著陸的全過程中,一切都要  靠探測器自主進行。  

                                                    進入火星大氣層后,探測器防熱措施如何,降  落傘、氣囊和緩沖火箭等能否按程序工作,都必須  非常精確,整個過程被稱為“恐怖7分鐘”。  

                                                    所以,探測器在火星著陸的每個環節都不能  有閃失。許多探測器都因為小細節功虧一簣。例  如,1999 年 9 月 23 日,美國“火星氣候”軌道器在  即將進入預定軌道前燒毀,原因是在軌道切入操  作中,將英制和公制單位混淆,造成導航誤差,使  其飛離火星太近而燒毀。  

                                                    原定1999年12月3日在火星著陸的美國“火  星極區”著陸器,是因為軟件錯誤導致其起減速作  用的火箭發動機過早關閉,最終撞毀。

                                                    2003年12月,歐洲“獵兔犬2”號  著陸器由于著陸后太陽電池板沒有完  全展開,最終失去電力而與外界失聯。  

                                                    2016年10月20日,歐洲“火星生  物學-2016”中的“夏帕雷利”進入、降  落和著陸演示器,因為一個 1 秒的計  算失誤,導致降落傘與防熱罩提前分  離,最終硬著陸而撞毀。

                                                    著陸方式主要有三種,各有優缺點

                                                    目前,探測器在火星的軟著陸方  式主要有三種,每種方案都各有優缺  點。  

                                                    一是氣囊彈跳式。這種方式比較  簡單,成本低,但只能滿足重量小的探  測器軟著陸要求,且著陸精度不高。  美國“火星探路者”、“火星漫游者”  (“勇氣”號和“機遇”號火星車)都采用  降落傘+氣囊彈跳方式。  二是反推著陸腿式。這種方式復  雜一些,成本高,可滿足重量較大的探  測器軟著陸要求,著陸精度較高。美  國“海盜”號、“鳳凰”號、“洞察”號和歐  洲的“獵兔犬 2”號、“夏帕雷利”都采  用降落傘+緩沖發動機反推+著陸腿  方式。  

                                                    三是空中起重機式。這種方式最  為復雜,成本最高,技術最先進,可滿  足重量更大的探測器軟著陸要求,能  精確著陸。攜帶“好奇”號火星車的美  國“火星科學實驗室”采用降落傘+緩  沖發動機反推+空中起重機方式。  

                                                    如今,所有的火星著陸器全部采  用剛性減速器和“盤-縫-帶”降落傘  的減速方案來完成超聲速減速工作。2012年在火星表面實現軟著陸的“好  奇”號火星車是至今質量最大的火星  著陸器,達960千克。  

                                                    可以說,“好奇”號已把剛性減  速器和“盤-縫-帶”降落傘這項減  速技術所能承受的重量推到極限,  而未來的載人火星任務涉及的重量  將達到 20 噸以上,因此現有的 3 種  著陸方式都無法保證大質量航天器  安全軟著陸。  

                                                    為了完成未來的載人登陸火星任  務,美國正在積極研制新的火星著陸  裝置——“低密度超聲速減速器”。當  著陸器以大約 3.5 馬赫的速度進入火  星大氣時,該裝置能像夏威夷氣鼓魚  一樣迅速充氣,以增加表面積,進而增  加空氣阻力,使著陸器的速度減至 2  馬赫。此時,直徑33米的巨型超聲速  環帆降落傘打開,幫助火星著陸器安  全著陸。 (本報綜合)



                                                    編輯:chenguo

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