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美”洞察”号火星探测器将着陆人类探测火星有多难?

作者:三好学生

新闻背景

经过逾6个月的飞行,美国“洞察”号火星探测器终于将在2018年11月26日在火星着陆。然而,它要经历“恐怖的7分钟”,能否成功还是个未知数。

像其它火星着陆器一样,“洞察”号整个任务分为发射、巡航、进入下降和着陆(EDL)、表面操作等四个阶段,其中风险最大的就是进入下降和着陆阶段,不少火星探测器都是在这一阶段阵亡的。

路途漫漫环境险恶

失落太空的美国“火星观察者”探测器

至今,人类已发射了40多个火星探测器,成功率约50%,所以火星被称为“探测器坟场”或“死亡星球”。其主要原因是火星距地球遥远,探测器要飞几亿千米才能到达火星,所以对发射、轨道、控制、通信和电源等不少技术都提出了很高的要求。

例如,运载火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是火星探测的重要前提,最好用大推力运载火箭把探测器加速到11.2千米/秒的第二宇宙速度,直接进入地火转移轨道飞往火星,否则需要消耗探测器自身燃料和较多的飞行时间来加速,从而会影响探测器寿命。印度就是由于运载火箭推力小,所以其首个火星探测器多花了很多时间和燃料才抵达火星。2020年,我国将用长征5号新一代大型运载火箭发射首个火星探测器。

通信问题也不是易事。从地球发送到火星的无线电信号延时很长,单程需要20分钟左右,因此火星探测器需有较强的自主控制能力;另外,由于信号的强度与距离的平方成反比,而火星距地球太遥远,所以它需要装有高增益、高可靠通信设备,以及必须拥有天线直径很大的地面深空测控网。天线的直径和探测距离成正比,增大天线口径可以增加探测距离。即使这样,还是有不少火星探测器因通信故障而失落在太空。例如,1992年9月25日发射的美国“火星观测者”轨道器,它在1993年8月21日即将进入火星轨道之前失去通信联系。

由于路途漫漫,所以火星探测器在飞往火星的途中要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道修正,才能准确地飞到火星。如果火星探测器在地火转移轨道近地点有1米/秒的速度误差或1千米的高度误差,飞到火星附近时都将产生10万千米的位置误差。轨道修正是通过分布在地球表面的深空测控网实现的。该网常由3个在全球彼此相隔120°的地面通信站组成,天线直径达64~70米。美国“勇气”号火星车在降落在火星表面前,先后修正了4次航线。

因为火星探测器远离太阳,它所受到的太阳辐射强度大大减弱,所以火星探测器的太阳电池翼性能必须很高。如果使用核电源,则要解决安全性问题。

也要注意太阳风暴的影响。日本首个火星探测器“希望”号原定于2003年12月14日进入火星轨道,但是由于其电路系统在2003年底受太阳风暴的影响而出现故障,结果使变轨发动机无法启动,最终导致探测器不能切入火星轨道而告失败。

火星环境复杂、恶劣也是造成火星探测器经常“阵亡”的主要原因。火星大气密度只有地球大气密度的1%,因而辐射严重。火星上的沙尘暴也很大,有时是地球上12级台风的6倍,时间可达半年,今年美国“机遇”号火星车就是因沙尘暴而停止工作,现在还不知能否可以复活。

着陆火星难上加难

“好奇”号通过降落伞和空中起重机方式在火星表面着陆

探测器进入火星轨道的难度被比喻为从巴黎打一个高尔夫球,正好落到东京的某个球洞里。这是由于通信延时很长,所有数据都要提前注入。在探测器切入火星轨道过程中,如果切入点离火星过远,则不能被火星的引力捕获而掠过火星;如果切入点离火星太近,则可能坠毁于火星大气层。

如果探测器要在火星表面着陆,其难度就更大了。因为在探测器进入火星大气时离地球很远,遥测和遥控信号比较微弱;另外,当探测器运动到火星背面时,地球上无法准确地确定其轨道参数,这就给再入高度的选择带来困难。由于受通信延时的影响,所以在火星着陆的全过程中,一切都要靠探测器自主进行。

进入火星大气层后,探测器防热措施如何,降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作,都至关重要,必须非常精确,整个过程要经历所谓的“恐怖7分钟”。

所以,探测器在火星着陆的技术十分复杂,每个环节都不能有闪失。许多探测器都因此功亏一篑。例如,1999年9月23日,美国“火星气候”轨道器在即将进入预定轨道前烧毁,原因是在轨道切入操作中,由于英制和公制单位的混淆而造成导航误差,使其飞离火星太近而烧毁。

原定1999年12月3日在火星着陆的美国“火星极区”着陆器也下落不明。它是在即将登陆火星表面时,由于软件错误导致其起减速作用的火箭发动机过早关闭,最终撞毁。

2003年12月,欧洲“猎兔犬2”号着陆器与“火星快车”轨道器分离后,准备在火星表面着陆时失踪了,这是由于“猎兔犬2”号着陆后太阳电池板没有完全展开,所以“猎兔犬2”号因没有电而与外界失联。

2016年10月20日,欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器在着陆前与地面失去了联系,原因由一个仅一秒的计算失误所致,提前将降落伞与防热罩分离,导致“夏帕雷利”硬着陆而撞毁。

着陆方式各有千秋

“低密度超声速减速器”升空进行大型火星探测器软着陆试验

目前,探测器在火星软着陆方式主要有三种,每种方案都各有优缺点。

一是气囊弹跳式。这种方式比较简单,成本低,但只能满足重量小的探测器软着陆要求,且着陆精度不高。美国“火星探路者”、“火星漫游者”(“勇气”号和“机遇”号火星车)都采用降落伞+气囊弹跳方式。

二是反推着陆腿式。这种方式复杂一些,成本高,可满足重量较大的探测器软着陆要求,着陆精度较高。美国“海盗”号、“凤凰”号、“洞察”号和欧洲的“猎兔犬2”号、“夏帕雷利”都采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿方式。

三是空中起重机式。这种方式最为复杂,成本最高,技术最先进,可满足重量更大的探测器软着陆要求,能精确着陆。携带“好奇”号火星车的美国“火星科学实验室”采用降落伞+缓冲发动机反推+空中起重机方式。

至今,所有的火星着陆器全部采用刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞的减速方案来完成超声速减速工作。2012年在火星表面实现软着陆的“好奇”号火星车是至今质量最大的火星着陆器,达960千克。“好奇”号已把刚性减速器和“盘-缝-带”降落伞这项减速技术所能承受的重量推到极限,而未来的载人火星任务涉及的重量将达到20吨以上。

在进入火星大气层过程中,由于火星大气的密度只有地球的1%,而载人火星飞船重量又大增,因此现有的3种着陆方式都无法保证大质量航天器安全软着陆。为了完成未来的载人登陆火星任务,美国正在积极研制新的火星着陆装置——“低密度超声速减速器”。当着陆器以大约3.5马赫的速度进入火星大气时,该装置能像夏威夷气鼓鱼一样迅速充气,以增加表面积,进而增加空气阻力,使着陆器的速度减至2马赫。此时,直径33米的巨型超声速环帆降落伞打开,帮助火星着陆器安全着陆。

火星探测前景广

尽管探测火星技术难度很大,但随着技术和经济的发展,现在探测火星的国家越来越多。因为火星是离地球最近的类地行星,具备了生命存在的必要条件,并有可能成为人类未来移民的理想星球。

目前,在火星轨道上工作的探测器有美国的“火星勘测”轨道器、“火星大气与挥发物演变”、2颗“火星立方1号”,欧洲的“火星快车”和“微量气体”轨道器,印度的“曼加里安”;在火星表面工作的有美国“好奇”号火星车,“洞察”号也即将着陆。“洞察”号是第一个探测火星深层的航天器,将通过倾听火星地震和测量它的热量输出来研究火星的内部结构,揭示岩质行星的形成,填补火星地球物理空白,更好地了解其他岩石行星(包括地球)是如何诞生的。

2020年,美国将发射新的火星车。它使用“好奇”号火星车成熟的平台,但配置了更先进的探测仪器,对火星表面进行进一步考察。此后,美国还将实施火星采样返回任务,最终在2035年左右进行首次载人登火星。

2020年,欧俄将联合发射“火星生物学-2020”火星车,用于搜寻生命迹象。它将成为首个能在火星上钻探地下2米深的巡视探测器,采集不受辐射和氧化剂破坏的样品,然后把采集的灰尘样本返回地球进行分析,从而分析火星是否具备维持生命存活的重要元素。

2020年,我国将首次发射第一个火星探测器,率先在世界实现通过一次发射完成“绕、着、巡”三项任务的壮举,获取自主火星探测科学数据,实现深空探测技术的跨越。2028年,我国还将实施火星采样返回任务。

每日天文一图

仙后座内的IC 59和IC 63

这些明亮的轮廓和流状体结构看起来就像是宇宙的幽灵。这幅朝向仙后座方向(可放大)的彩色星空影像呈现了后掠式的彗星状星云IC 59和IC 63。这片距离地球600光年的星云当然不是什么幽灵,但它受到来自明亮高温的仙后座伽马恒星的高能辐射影响,正在逐渐消失的确是一个事实。仙后γ型星距离这些星云有3到4光年左右的距离,就在影像右上边缘外。恒星的紫外线辐射与电子结合造成了氢原子的电离,从而让距离仙后γ型星更近的IC 63产生了红色的Hα辐射。离仙后座伽马较远的IC 59,其Hα辐射较少,更多的是灰尘反射的蓝色恒星星光。根据仙后γ型星和周边恒星的估计距离来计算,这片视野的跨度约为1度,相当于覆盖了10光年的天区。

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