祝融号成功着陆火星

2020年

7月23日12时41分,天问一号火星探测器成功发射,再次拉开了中国探索火星的大幕。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(1)

文昌航天发射场

8月2日7时,第一次轨道中途修正完成;

9月20日23时,第二次轨道中途修正完成;

10月9日23时,深空机动完成;

10月28日22时,第三次轨道中途修正完成;

2021年

2月5日20时,第四次轨道中途修正完成;

2月10日19时52分,天问一号探测器成功实施火星捕获。

经过200多天,4.6亿公里的飞行之后,探测器成功泊入火星轨道。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(2)

2月15日17时,探测器完成远火点平面轨道调整;

5月15日

天问一号探测器进入人类“探火”最难的一个阶段——登陆。

凌晨1时许,探测器发动机开机减速,轨道器开始实施降轨,之后天问一号组合体(轨道器+巡视着陆器)成功机动至火星进入轨道。

由于距离地球太远,此时探测器和地球存在十几分钟的通讯延时,所以探测器只能跟着之前设定好的程序走,地面无法直接控制。如果探测器突然遇到麻烦,那么探测器只能自行判断,自行处理。

当环绕器通过自身的敏感器发现着陆器没有完成既定的动作时,会自主带着着陆器迅速进行轨道抬升以避免撞向火星,并在合适的时机再次选择执行两器分离的一系列动作。

4时许,着陆巡视器与环绕器分离。历经约3小时的飞行后,进入舱包裹着着陆巡视器切入火星大气。

经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲后,天问一号的着陆巡视器成功着陆到预选着陆区。

两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器提供中继通信。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(3)

5月15日7时18分,首个来自亚洲的火星车成功登陆火星。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(4)

着陆器与巡视器

中国在航天领域的话语权再次提升。

在喜悦的同时,有些人可能要问,为什么同样是登陆火星,美国的毅力号是直接登陆,而我们的火星探测器要先绕火飞行3个月?

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(5)

这是因为美国有丰富的火星探测经验和火星环境数据,在火星轨道也有美国的部署探测器为毅力号“打辅助”。

而我们之前没有登陆火星的经验,在火星轨道更没有中国的探测器。所以天问一号需要先绕火星飞行3个月里,对预选着陆地点进行探测。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(6)

天问一号拍摄

在中国之前还没有哪个国家敢在没有火星探测实战经验的时候一次性的完成“绕、落、巡”三大目标,这也体现了我们的技术自信。

然后呢?

首先是发出信号,告诉地面——着陆成功!

那么祝融号的信号要怎么发回地球?

首先祝融号会将信号发给在火星轨道的轨道器(天问一号),然后轨道器再接力把信号发给地球。

在巡视探测期间,天问一号的轨道器主要负责中继通讯任务。

同时欧洲的火星轨道器也会为祝融号提供与地面的通讯服务。

另外,安装在祝融号尾端的定向天线也可以指向地球,直接接收地面上传的指令。

在地面,负责接收来自火星信号的是中国的深空测控网络。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(7)

我国目前在全球各地有3个深空站,分别是喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站。

深空站分布在全球各地,可以保证“天问一号”轨道器在和地球通信时我们总能收到信号。

紧接着,系统自检、驶离着陆器:

之后祝融号将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。

国家航天局副局长吴艳华称,祝融号一切顺利的话,将在本月22号左右离开着陆平台到火星表面开始巡视探测。27号左右,预计能做到两器互拍。28号左右能拿到首批科学数据。

和嫦娥探测器不同的是,天问一号的着陆器不具备科学探测能力,它的任务就是将祝融号送到火星表面。而天问一号任务在火星表面的探测都将交由祝融号火星车完成。

要想在火星表面干点啥,首先要获取能源:

无论是用科学仪器进行探测还是在火星表面行驶,都要能源来支持。而在火星表面,祝融号的能量基本都来自于太阳。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(8)

但困难的是,火星的辐照强度仅有地球的43%。所以祝融号上的太阳能板的面积要设计的比玉兔号的更大,从而获得更多的电能来支持祝融号的活动。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(9)

玉兔二号

在祝融号上共有四片电池板,位于火星车的侧端和尾端。

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祝融号

不仅辐照强度比月球低,在火星表面,沙尘还会附着在太阳能电池板上,从而降低太阳能电池板的发电效率。据美国“勇气号”的实测数据显示,火星车太阳能面板能量供应日衰减率为0.1%~0.3%——而对于这些“雪上加霜”的火星沙尘,过去唯一的除尘方法就是等一阵火星的自然风将它们吹掉。

而我们的祝融号专门考虑了火星的沙尘问题,并采用了“防尘设计”。

1、足够“滑”的太阳能帆板:

祝融号的太阳能板表面有一层与莲叶表面结果类似的微结构膜。它能够令火星的沙尘与太阳能电池板表面之间存在一层空气,而这层空气可以极大的减小火星尘埃与电池板表面的摩擦力,从而降低火星沙尘附着的可能性。

2、主动除尘:

祝融号两侧的太阳能帆板安装了电机,可以灵活的调整角度。当需要除尘时,祝融号把帆板立起,这些影响发电效率的火星尘埃即可滑落。

为了保险起见,以往火星车的太阳能板都是一次性展开结构,展开了就无法收回。而祝融号也在设计时也考虑到了这个问题。为了保险起见,火星车尾端的太阳能板是不可收回的,只有两端的太阳能板配备了可让其转动的电机。

温控:

之前,中国的嫦娥探测器用到了核电池为其提供热量。

但核电池会不间断的放热,当温度低时,这些热量对巡视器是友好的,但当环境温度较高时,核电池释放出的热量会导致火星车温度过高,对热控系统造成负担。

同时,同位素电池对火星着陆可靠性要求很高,一旦失败就会污染火星表面环境。

而这次祝融号火星用到了一种全新的温控方式——纳米级气凝胶+正十一烷集热窗。

在白天,祝融号的保温材料液化吸收热量,在夜间则固化释放热量,供给火星车上的设备器“过夜”。

机动:

祝融号应该是火星表面机动性能最强的巡视器。

中国的第一辆巡视器——玉兔号(-嫦娥三号任务),曾因为行驶过程中电缆被月岩扯出,随后在月球表面极端环境的作用下断裂,最终失去行动能力。由“移动月面探测平台”变成了“固定月面探测平台”尽管漫游车在这之后仍然继续工作,但获得的科研成果比预期少了不少。

为了避免遇到类似的问题,火星车充分修改了布线,最大限度将缆线布置于车身内部,从而减少事故的发生可能。

祝融号是一辆六轮六驱的火星车,并且每个车轮都可以独立转向。

火星车的正常行驶速度为40m/h,最大速度200m/h,这速度在巡视器中已经相当够用了,毕竟巡视器是用来探测器的,而不是“飙”的。

与此同时,车轮上的支撑梁也可以主动运动,换句话说,火星车可以自己“抬起腿”。

祝融号的车体可以根据道路情况进行升降,在倾斜坡度路面可降低底盘增强行驶稳定性,遭遇乱石复杂路况可抬高车体,有利于提高危险路段的脱困能力。

祝融号在传统直线行驶、原地转向、行进间转向三大基础行驶功能基础上,又拓展了蟹行、蠕动功能,以应对更复杂的路况。

探测火星生命

天问一号主要要解决的科学问题有两个——“火星是否存在过生命或支持生命的环境”和“火星演化和太阳系的起源与演化”。

因为火星是太阳系内和地球环境最为接近的行星,所以人类才会在火星上进行和“生命”有关的科学探测。

着陆地点:

水是生命之源,探测器要想解决和生命有关的科学问题,就要去可能有水的地方。

祝融号火星车在火星表面已探测了(祝融号成功着陆火星)(11)

祝融号的登陆地点为火星上最大的平原,——乌托邦平原。

直径3200公里,中央坐标为49.7°N 118°E,位于阿尔及尔平原的对跖点上。为1976年9月3日海盗2号在火星上的着陆与探索区域。

因为和水有关,所以祝融号选择了这个着陆地点:

地质学家介绍,祝融号的着落区很可能是一个古海洋所在地,有很高的科学价值,很可能会取得意想不到的科学成果。

1976年9月,美国的海盗二号火星探测器曾降落在那里,发回了霜冻现象的照片。

而近期的科学探测又发现,在火星乌托邦平原距离地面1~10米的浅表底层下方有大量地下水冰存在,储水量相当于地球面积最大的淡水湖——苏必利尔湖。

要知道科学家在十几年前才确定火星上有水的存在,所以乌托邦平原的科学价值显而易见。

祝融号上面携带的次表层探测雷达可以探测火星表面(剖面)的土壤结构,探查火星水冰存在情况。

火星车共携带了六套有效载荷:

  1. 火星表面成分探测仪:包括激光诱导击穿光谱仪(LIBS)、短波红外光谱显微成像仪(SWIR)和微成像相机LIBS(240~850 nm)用于元素组成分析;SWIR(850~2400 nm)用于矿物和岩石的分析和识别;微成像相机(900~1000 nm)可以获得探测目标的高空间分辨率图像。
  2. 多光谱相机:获取着陆点周围的地形、地貌和地质背景信息,进行空间分析,获得岩石、土壤等可见近红外光谱数据;采集各种白天和黑夜的天空图像,以进行特定的大气、气象和天文研究。
  3. 导航地形相机:拍摄广角图片,指导火星车的移动并寻找的目标;结合环绕器上搭载的高分辨率相机,将它们拍摄到的地面图像进行比对,可以校准火星表面的真实情况;为其他科学载荷寻找感兴趣的探测目标或区域。
  4. 火星车次表层探测雷达:次表层探测雷达可以探测火星土壤的地下分层和厚度。雷达包含两个通道,低频通道(15~95 MHz)可以穿透10~100米的深度(空间分辨率为几米);高频通道(0.45~2.15 GHz)可以穿透3~10米的深度(空间分辨率为几厘米)。次表层探测雷达可以随火星车移动,持续收集地下雷达信号,探测地下物质的大小和分布特征,并在垂直和水平方向上约束地下分层结构,制约地下水冰和挥发物(如,水合矿物质等)的分布。
  5. 火星表面磁场探测仪:检测火星表面磁场,火星磁场指数以及火星电离层中的电流。其主要优点是可随火星车移动;与环绕器上搭载的磁强计协同观测,将对理解火星内部的演变具有极其重要的意义。
  6. 火星气象测量仪,用于监测火星表面温度,压力,风场和声音等的时间和空间变化。在着陆之前,还可以在环火轨道上收集温度和声音数据。

除了生命,“祝融号”还要回答关于火星本身的问题。

火星曾经拥有和地球类似的磁场,但是后来不知为何磁场消失,在太阳风的轰击下火星也逐渐变成了今天这个荒凉的样子。“祝融号”上的火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪将会回答这些问题。

而火星表面的成分又是怎样变成今天这样?稀薄的大气对其造成了哪些影响?则可以用火星表面成分探测仪和多光谱相机来确认。

地形相机还能给我们带来一些火星表面的彩色照片。

当然,这些科学问题不会只由祝融号来回答,天问一号的轨道器会在火星轨道上和祝融号一同研究这些问题。

探测多长时间?

按照计划祝融号的设计寿命是3个月,巡视任务结束后,在火星轨道上的天问一号的轨道器将结束中继通讯使命,开展火星探测。

但你也知道,航天器的设计寿命和实际工作时间是倍数级的差距。

比如:美国的第一辆火星车“索杰纳”设计寿命7天,实际工作了3个月;

勇气号与机遇号火星车的设计寿命均为3个月,结果前者工作了近8年,后者甚至工作了15年,直到2018年一场席卷整个火星的沙尘暴令其断电。

而我国的“玉兔二号”设计寿命3个月,而到现在它还在工作。

月球的环境比火星要恶劣得多,不出意外,“祝融”号实际使用时间也会远远长于设计时间。

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