撰文/贾阳(中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师)
党的二十大报告中提到,火星探测领域取得了重大成果。年7月23日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射,迈出了我国自主开展行星探测第一步。如今,“天问一号”发射已经两周年有余,让我们一起来走近“天问一号”,回顾它的亮点纷呈。
不走寻常路
开展火星探测,可以发射环绕器进行火星遥感探测,也可以单独发射火星车,实现巡视探测。中国首次自主火星探测任务,通过一次发射,实现“绕”“着”“巡”三个目标。
探测器将由长征五号运载火箭发射至地火转移轨道,与运载火箭分离后,探测器将进行轨道机动,在距离火星千米处制动,被火星捕获,成为火星的人造卫星。
运行一段时间之后,着陆的时机到来了,着陆巡视器与环绕器分离。着陆巡视器进入火星大气,利用气动、降落伞、发动机三级减速和着陆腿的缓冲作用,软着陆于火星表面。最后,火星车驶离着陆平台,在火星表面开始巡视探测。
奔向火星
火星和地球一起围绕太阳旋转,它们就像在环形跑道上快速奔跑的两名运动员,地球在内圈略快,火星在外圈稍慢。再形象些,我们可以把它们想象成接力赛,什么时候从第一名运动员那里出发?沿着什么方向加速?到第二名运动员附近如何减速才最省力?这些都是需要精心考虑的问题。而在火星探测任务中,这项工作叫作轨道设计。
轨道设计中,一项重要的工作是发射窗口的分析,也就是确定探测器什么时候从地球出发。天体运动关系决定了需要大约26个月,才有一次发射火星探测器的最佳机会,因为这时候发射最省能量。既然是窗口,那就存在一定的时间宽度,在7月底到8月初的半个月,都存在发射机会,运载火箭的能力越强,发射窗口就越宽。
火星,我们来了
经过半年多的飞行,在火星附近的近火制动成为发射之后的第一关。此时,主发动机大显神通,在火星附近刹车,主动投入火星的怀抱,成为一颗绕火卫星。这个环节,只有一次机会,如果刹车力度不够,探测器将飞向深空,再想让它飞回到火星附近,就几乎不可能了。
环火飞行的时间可长可短,其抉择至少与两个因素有关:一个因素是着陆点,要等到着陆点正好在轨道近火点附近的时候;还有一个因素就是地方时,早落意味着距离太阳下山的时间太短,火星车来不及充电。
着陆火星
火星探测任务中,最令人紧张的就是着陆前的8分钟。
首先,探测器会瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊——角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈,角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。接下来的气动减速段是最主要的减速阶段,进入火星大气时,探测器的速度可达每秒4.8千米,大约5分钟的减速之后,速度只剩下每秒米。
接着,专门开发的火星专用降落伞展开,进入舱的速度进一步下降到不到每秒米,这一分多钟时间比较