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祝融:从17倍音速,在惊魂540秒内完成零“刹车”,究竟有多难?

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地球explore 2021-05-15 13:00

生死难关,惊魂9分钟

首先,恭喜搭载这中国火神——祝融号的天问一号着落器,稳稳闯关了生死考验的“恐怖9分钟”,成功踏上火星大地,着落到那迷人的乌托邦平原。

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这次着陆成功,也意味着中国,继俄罗斯和美国后,成为人类第三个拥有直接踏入火星土地展开探测的国家!

其次,我们细聊一下:搭载着祝融的天问一号,所闯过的生死难关——“恐怖9分钟”,到底是怎么回事?

从5月15日凌晨2点多开始,从距离火星表面125公里的高度开始切入,祝融号要从时速:21000公里每小时,约5833米/秒,大概是17倍音速的速度,在短短9分钟内,最多就540秒,突然刹住,变为速度为零,然后软着陆于火星地表。

17倍音速、540秒,这代表着什么?

或许会有人说:这不就平均每秒“刹车11米么,至于大家所说的那么恐怖么?

拿出一个大家比较熟悉的事件——特斯拉刹车门!Model 3两驱标准版,在陆地上,从120 km/h,折约为33.3米/秒,刹停为零。十年驾龄的老师傅亲测,极限刹车所需时长为3.67秒,平均加速度为-9.8米/秒。这感受,就相当于人们,在地球上没有空气阻隔的情况下,自由落体时的重力加速度G,只不过这个过程恰好是方向相反而已。

而天问一号着陆器呢?换算下来,这刹车速度,大概也就是负1.1G多一点......

聊到这,估计不少人会跳起来,这有多难呢?

在如今如此尖端的航空领域,那我们就再看一组数据:迄今为止,人类火星探测任务成功率仅有五成!为什么呢?因为,几乎所有进入火星大气、意图降落火星表面的火星探测器,几乎超过绝大部分的失败,都折损于这降落的几分钟......

并且,火星降落刹车,与我们所想的开着特拉斯,松开油门,一脚把刹车踩到底的感受完全不一样。在这恐怖的9分钟里,在空气含量仅地球1%的火星大气上,你要完成超高难度的刹车动作。

天问一号着陆器,就必须在没有地面人员的帮助下,自主地完成:气动减速打开降落伞发动机反推精准减速空中悬停精确选择路线避开障碍物锁定降落目的地,最后才缓缓降落火星表面。

短短540秒内,天问一号着陆器号,不仅要完成上千条指令,那精密大脑确保每个环节都精准无误,还得高度警惕、随时应对这火星上几乎是陌生的气候环境,比如火星尘暴的威胁等等。

这环环相扣,容不得丝毫差错的每一个环节,所遇到的技术难关,这远远超出我们的想象!

天问一号,刹车降落全过程剖析

首先,我们说说:⽓动减速!

这个过程,就是要利用火星大气层实现“刹车”,减掉着落器90%的速度。

而这个过程,最考验人的有三点:

第一,在最短的时间内,把速度降下来;因为,不同于地球,火星的大气更稀薄,要刹车减速,而着陆器,这过程唯一能自主控制的,只能是调整飞行姿态,从而实现完成减速任务。

第二,着陆器在设计上,还要克服与火星大气摩擦过程中,所产生的高温,并保护着落器内部的仪器、祝融号探测车均不被飞行过程的震动与高温,造就哪怕一丝一毫的影响。

第三,锁定目标预定的轨迹,自由落体,再加上火星气候环境可能存在的变数,减速的同时,极有可能会出现计算偏差,从而导致轨道偏离。

而天问一号着陆器,在这个过程中,就必须随时自主地计算应对这些偏差,并迅速调整姿态,让它回到预定计划的范围内。因为稍有不慎,就会远远偏离我们预计轨道目标,让它承受更多不可控风险,甚至无法抵达我们锁定的目标落地。

紧接着,刹掉90%的速度后,天问⼀号就会打开降落伞,进⾏伞系减速,让速度降⾄100米/秒时,天问⼀号就开始了精细控制阶段。它会通过反推发动机,进⾏减速,由⼤⽓减速阶段进⼊动⼒减速阶段。

这个过程,也是让我们的着落器,精准去到目的地乌托邦平原上空的关键要点之一,这有点像是ABS的味道,但更像一套装载着精准导航+汽车的ABS刹车的精密系统。

而等到着陆器,落到距离火星地表100米高的地方时,天问一号,就进入重要的悬停阶段,确认目标落点的所有障碍物,然后智能计算出落点和路线,在完成灵活、精准避障同时,徐徐降落于火星地表。

最后的一个阶段,也就是刹车为零的过程,也是极其重要的,着陆巡视器会打开它的金睛火眼,巡视地表的各种情况,并在缓冲机构的保护下,实现真正的软着落。确保着落器肚子内装的精密仪器,不会在突然刹停的瞬间,遭受任何冲击损伤。

从这一整个过程来环视,你还觉得这天问一号这“刹车”简单么?

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
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