[科普中国]-GO！去火星！中国开启首次自主火星探测

从2020年7月中旬开始，不少国家都开启了排队去火星的行程，最先拉开序幕的是阿联酋航天局，7月20日5点58分，阿联酋航天局的“希望号”火星探测器从日本鹿儿岛县种子岛太空中心发射升空。与此同时，7月17日长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场完成了技术区总装测试工作，已垂直转运至发射区，计划近期择机实施中国首次火星探测任务“天问一号”。而大洋彼岸美国宇航局的“毅力号”也将于7月30日发射升空。神秘美丽的火星 来源/网络探测器如何实现地球到火星的跨越？这次发射的火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成，探测器发射约5～6h之后，会穿越地球磁层顶，进入行星际空间，随后便开始为期约7个月的漫长的飞行过程，全力奔向火星，这一过程也就是地-火转移过程。火星探测器经过漫长旅途，到达火星后，经过多次变轨进入环火轨道，并向火星表面释放火星车，开展火星表面的巡视探测任务。环绕火星飞行的环绕器要与着陆巡视器分离，进入任务使命轨道，开展对火星全球环绕探测，也为着陆巡视器开展中继通讯。着陆巡视器进入火星大气后，通过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机动力减速、着陆缓冲后，软着陆在火星表面。一位艺术家描绘的空中吊车下方悬挂着好奇号火星车，准备在火星表面着陆时的场景（NASA/JPL-Callech）火星探测，着陆是关键火星大气层与火星地表存在着与地球明显不同的空间环境，这对探测器着陆火星表层提出了很大的考验，也是摆在科研人员面前的一道难关。为了保证着陆巡视器能安全、平稳地降落在火星上，科学家为其设计了四个关键步骤：第一步，气动外形减速。使其在进入火星稀薄的大气时，能产生足够大的阻力，并且还不会翻车、乱撞、倒向飞行；第二步，降落伞减速。着陆巡视器配备了一个全自动的降落伞，在减速到一定程度时，它会自动打开；第三步，动力减速。着陆巡视器携带的发动机会在合适的时机在运动的反方向启动，对其产生反推力，从而达到减速的目的；第四步，当运行到距离火星表面100米左右时，着陆巡视器的速度要减到相对为零，进入悬停状态，利用探测器所携带的相关仪器设备，对下方的着陆区进行选择，尽量寻找相对安全的地方着陆。到了距离火星表面一两米的时候，着陆巡视器会启动一个着陆缓冲装置，俗称“着陆腿”，靠它来降低着陆时产生的振动力。着陆巡视器外观设计构形此次火星探测的难点火星探测器飞行距离远，最远距离地球4亿公里；飞行时间长，地火转移飞行约7个月，环火探测长达2年；同时受地球、火星、探测器相对运动和地面站分布的影响，测控通信难以全空间覆盖；在环火探测中会经历2次日凌，通信中断最长达到30天；测控信号传输时延大，最短3分钟，最长达23分钟，特别是在执行近火捕获、两器分离等过程中，需要轨道控制，机会只有一次，决定着成败。探测器距离地球约3亿公里，信号时延15分钟以上，由地面进行实时测控干预的条件已不存在，探测器必须自主执行预先注入的指令，并自行判断指令执行的效果，一旦发现问题，必须在极短时间内根据自测量信息，进行自诊断，并完成故障的自恢复，对探测器自主导航、管理与控制的能力提出了更高要求。为此，研究人员开展了火星安全捕获制动控制，两器分离与安全升轨控制、长期自主管理和控制策略与方法等专题研究和验证，提升探测器的自主能力。中国的“天问一号”VS美国、阿联酋探测任务今年，我国就将实施火星探测任务“天问一号”。按照计划，火星探测器要一次性完成“绕”“落”“巡”三大任务，这也标志着我国行星探测的大幕正式拉开。我国实施的首次火星探测任务，目标是获得最新的火星探测成果，深化人类对火星乃至太阳系的科学认知，推进对比较行星学等重大问题的研究。探测器总质量约5t，环绕器配置有分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7台科学载荷，对火星进行全球性、普查性探测。着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱完成进入、下降、着陆任务；火星车配置多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机共6台科学载荷，在着陆区开展巡视探测。中国的火星探测致力于探寻火星生命，评估整个火星表面的环境，环绕器将形成火星表面的地形图，其中包括土壤特征、物质组成等相关科学数据。火星红色的地表阿联酋的火星任务是通过表征火星低层大气来了解气候动态和全球天气图；通过将低层大气条件与高层大气相联系，说明天气如何改变氢和氧的逸出；了解高层大气中氢和氧的结构和变化，并确定氢和氧为何会从火星逃逸至太空。美国“毅力号”探测车的主要任务是继续探索火星上是否有生命存在过，采取样本以待未来送回地球，交给科学家分析。此外，它还将描绘火星的气候和地质特征，为人类未来登陆火星做好铺垫。美国“毅力号”火星车 来源/网络作者| 钱航 中国航天科技集团审稿人| 贾阳 中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师文章由腾讯科普“全民爱科学”团队推出转载请注明来自科普中国