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“祝融号”:传火人间 光照四海

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北京青年周刊 2021-06-11 17:03

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“祝融号”火星车已经于5月22日10时40分安全驶离着陆平台,成功到达火星表面,目前“祝融号”火星车已经开启了在火星的巡视探测之旅。

在经济实力和科技实力的支持下,我国近几年在太空领域的部署速度越来越快,并向世界交出了一份又一份满意的答卷,为全球航天事业的发展做出了巨大的贡献。

此次“祝融号”火星车成功着陆火星对我国航天事业的发展具有重要意义,它是我国继在月球探索后,在太空探索领域取得的又一项重大成就,外媒对此评价道:“这是中国朝着‘宇宙强国’目标发展的新成果。”

2021年3月4日消息(具体拍摄时间不详),国家航天局发布由我国首次火星探测任务“天问一号”探测器拍摄的高清火星影像图。彩色图像由中分辨率相机拍摄,画面为火星北极区域。

自“祝融号”火星车成功着陆火星,其在火星表面的运行状态一直是各界密切关注的热点。据中国国家航天局介绍,“祝融号”火星车在火星表面工作期间,将按计划对巡视区执行环境感知、火星表面移动和科学探测等任务。据相关科研人员介绍,由于火星表面的环境比较复杂,为了让“祝融号”火星车更好地在火星表面工作,研发人员在对“祝融号”进行设计时为其配置了很多功能。

“祝融号”火星车的寿命只有短短三个月,但它将利用有限的寿命对火星上的土壤特性、大气、电离层等进行探测,足以加深人类对火星的认知,价值不可估量。相信接下来的时间,“祝融号”还将为人类带来更多惊喜,推动人类航天事业的发展,让我们一起拭目以待!

2021年3月4日消息(具体拍摄时间不详),国家航天局发布由我国首次火星探测任务“天问一号”探测器拍摄的高清火星影像图。黑白图像由高分辨率相机在距离火星表面330千米~350千米高度拍摄,分辨率约0.7米,成像区域内火星表面小型环形坑、山脊、沙丘等地貌清晰可见,据测算,图中最大撞击坑的直径约620米。

点燃我国星际探测的火种

我国首辆火星车被命名为“祝融号”,其英文名称采用直接音译方式,即“Zhu Rong”。而祝融是我国上古神话谱系中的火神,传火人间,光照四海。

国家航天局相关负责人表示,首辆火星车命名来自中国传统文化元素,与我国其他航天器命名思路一脉相承,例如“嫦娥”“墨子”“悟空”“北斗”等。以火神的名字命名我国第一辆火星车,是现代科学与传统文化的跨时空融合,体现了航天人的科学梦想和浪漫情怀,彰显着中国人的探索精神和文化自信。

首次火星探测任务是我国行星际探测征程的首次任务,将一次实现对火星的“环绕、着陆、巡视”,这在国际航天领域也是创举,而将首辆火星车命名为“祝融”,寓意点燃我国星际探测的火种,指引人类对浩瀚星空、宇宙未知的接续探索和自我超越。

新时代背景下,“祝融”这一名称又有了新内涵——祝愿未来谱华章,融合发展共奋进。“祝”表达对人类踏进星辰大海征程的美好祝愿,激励航天人追逐梦想、勇于探索;“融”体现融合、协作,表达中国人和平利用太空、增进人类福祉的格局和愿景,融合国内、国际,融合历史、现代和未来,为人类社会和谐发展作出航天人的贡献。

“天问一号”任务的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等。探测器自2020年7月23日发射以来,在地火转移飞行、环火轨道运行期间,环绕器配置的中分辨率相机、高分辨率相机、矿物光谱分析仪、磁强计等7台科学载荷陆续开机探测,获取科学数据。

而火面工作期间,“祝融号”火星车将按计划开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测,通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷,对巡视区开展详细探测。同时,环绕器将运行在中继轨道,为火星车巡视探测提供稳定的中继通信,兼顾开展环绕探测。

“祝融号”火星车在火星表面的行驶速度为3天走一步,大概是10米左右的距离。为什么走得这么慢呢?这是因为,火星车在火星会受到各种各样的约束,比如能源的约束,和地面取得联系的约束等等,再加上一些其他因素,设计师们考虑到“祝融号”火星车不适合在刚到达火星表面上,没有经历考核就大胆地往前走,面对火星恶劣的自然环境,还是保守和小心翼翼为好。

另外,“祝融号”火星车在夜间不会暂停所有工作。“祝融号”火星车最主要的能源来自于阳光,也有蓄电池,因此夜间也会继续工作。但是到了晚上,给“祝融号”火星车安排的不是“力气活”,而是让它的“大脑”、通信设备继续工作,巡视、探测这些“体力活”都安排在白天的午后进行,因为那时候阳光最充足,温度条件也适宜。当然,在夜间行走也是可以实现的,只是从效率来说,午后进行巡视探测更好。

(资料来源人民网、“天问一号祝融火星车”官方微博)

解析“黑色七分钟”落火过程

2021年5月15日,历史定会记住这一天。我国首次火星探测任务“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,成功“落火”。在选定着陆点后,如何成功降落火星是一大难题。

“落火”过程中,“天问一号”探测器要以合适的角度切入火星大气层,角度太小则无法进入大气层,角度太大又会因为被大气层过度加热而烧毁。在再入、下降与着陆过程中,探测器要在7分钟左右的时间里,将时速从约每小时2万千米降至0,实现软着陆。就是这样一个复杂、精密的降落过程被业内称作“黑色七分钟”。为什么这么说呢?因为这7分钟正是一个火星探测器任务中最惊险的部分。

航天专家、北京大学地球与空间科学学院教授焦维新指出,从地球传信号到着陆器要10多分钟,远大于7分钟的着陆时间。这就意味着降落全程的所有动作都需要着陆器自己完成,这对软件和硬件要求极高。同时探测器的防热措施是否可靠,降落伞、气囊和缓冲火箭等能否按程序工作,其中有一个步骤出问题,整个任务都会功亏一篑。在此次“天问一号”成功着陆火星前,曾有专家表示,世界上40多次火星探测任务中,能够安全度过这7分钟的仅有9次。

2021年5月20日消息,国家航天局于5月19日发布我国首次火星探测“天问一号”任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。图像中,着陆平台和“祝融号”火星车的驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位。

在火星表面的行走并不轻松,为了让“祝融号”火星车增强适应各种地形地貌的能力,研究人员为其安装了自主感知环境系统,并对结构进行了改进,让其可以顺利开展探测工作。“祝融号”火星车有四个“翅膀”,是太阳能电池板,专门用来提供能源,尾部是用来和地球取得联系的设备,不但能够获得动作指令,还能把探测到的资料传回地球。另外,“祝融号”火星车总共配备了6台科学仪器:

1.地形相机:再多数据都不如拍照“斗图”有说服力,无数网友也都在等待各种图片,我的导航地形相机已经给出了火星“华丽的荒凉”照片。

2.多光谱相机:详细分析岩石土壤光谱数据,帮助科学家们研究火星演化的历史和未来。

3.表面成分探测仪:可以用激光将岩石烧蚀成等离子体,用短波红外光谱显微成像仪远程分析。

4.次表层探测雷达:用来探测火星浅层地下的结构。

5.表面磁场仪:用来揭示火星表面破碎磁场的奥秘。

6.气象测量仪:研究火星表面的气候环境。

因此,“祝融号”火星车除了要巡视探测火星地貌和地质结构,也需要对土壤结构和水冰探查,同时对表面矿物、岩石等物质及元素进行勘查,并且对火星表面环境等进行探测。

前避障相机图像(图中着陆平台、坡道可见)

导航相机图像(车体、定向天线可见)

“祝融号”还需克服的挑战

此时此刻,“祝融号”火星车正在火星表面开展巡视勘查工作。在勤奋工作的3个月时间中,“祝融号”还需克服哪些挑战呢?

距离远光照弱 通信时长有限

获取的所有数据,将通过承担中继通信功能的环绕器回传至飞行控制中心。但受到距离和光照等因素影响,环绕器每天只有1小时左右时间与地球进行通信。这也是火星探测任务的难点之一。

不同于地球与月球间通信,由于距离较近,所以数据回传的时延很短。而目前火星与地球之间的距离超过3.2亿公里,因此“祝融号”火星车获得的探测数据所需要回传时间也更长,仅单程就将近20分钟。

航天科技集团八院天问一号探测器副总指挥张玉花表示:“距离的话带来了我们测控的码速率的问题,带来了我们控制及时性的时延的问题。我们嫦娥五号的轨道器,对地球就是有兆bps的数据率了。但是我们现在火星上就是要2.5米的大天线,才能实现16384bps(相当于16Kbps)的一个通信数据率。”

除了距离带来的时延问题,“祝融号”火星车自身有限的电量也是传送数据的限制条件之一。张玉花表示:“我们离地球近的时候,我们太阳光强大概每平方米有1350瓦,现在火星离太阳的距离大概也就600瓦以下了,功率也比较少。然后火星车在上面的话,它也不可能带太大的(太阳能)帆板,所以火星车能跟环绕器中继通信的时间也不能超过一小时,这个时间每天也比较短。”

环绕器推进剂余量充足

后续任务有保障

总重量达到5吨的“天问一号”火星探测器中,体积最大的是环绕器,它所携带的推进剂自然也是最多的。据了解,经过了近10个月的飞行,环绕器状态很好,推进剂余量也很充足,这也为后续火星探测任务奠定了基础。

自去年7月23日,由长征五号火箭成功发射以来,“天问一号”探测器完成了地火转移、中途轨道修正、深空机动、近火制动和软着陆等多个重要节点,截至目前每一个环节都顺利完成,这也让环绕器比预期节省了部分推进剂。

张玉花说:“我们目前余量还比较大,主要原因就是我们这一次发射非常的准,发射的精度挺好,将近200公斤用于入轨偏差修正的推进剂全省下来了,所以这一次我们在轨道拉起的过程,就得到一个更好的中继轨道。”

在完成3个月的中继通信任务后,后续环绕器还将再次调整轨道,从目前约8小时环绕一周火星,调整为7.8小时,之后开展为期一个火星年的火星环绕探测。在充足推进剂的保障下,预计可以获取更为丰富的科学探测数据。

“我们这次的话应该来说比我们的嫦娥一号、二号有效载荷上考虑的更多,我们的环绕器上有一百二十几公斤的有效载荷,高分相机和中分相机,它的分辨率都是非常高的。”张玉花表示,目前“天问一号”任务中所使用和验证的技术,为后续我国火星采样返回任务如何实施,也提供了有效支持。“如果要采样回,那难度就更大一些,因为火星这次采样回肯定也要落下去,还要从火面起飞,火星轨道到底是采用交会对接的方式把样品转移回来,还是直接的方式,我们现在都在论证当中。”

高能效电池板

为火星车提供充沛能量

“天问一号”在5月15日成功着陆火星表面,接下来,“祝融号”火星车将开启火星探测任务。在深空探测任务中,航天器唯一的能量来源就是太阳的能量。在“祝融号”火星车上,有4块长得像蝴蝶翅膀一样的太阳翼,它是为“天问一号”任务而特别定制的。

“祝融号”火星车的动力来源,主要依靠自身携带的太阳能电池,它通过吸收阳光产生电能来维持火星车设备的正常运转。负责吸收阳光的太阳能电池,都要经过专业测试,来确保每一块电池板都具备非常高的稳定性和精确性。

火星距离地球最远距离有4亿公里,在现有最大运载能力一定的前提下,为了搭载更多的探测设备,减轻重量就变得尤为重要。

“火星车由于主要是距离太远了,因此它的重量约束非常的严格。我们火星车的太阳电池一共用了1000多片太阳能电池片,相对来说面积是比较小的,只有大概4个平方米左右。我们需要把不同的电池片连接在一起,形成一条进行输出,那么这个时候我们就对每一片太阳电池的一些性能就有一个要求,就是这一条太阳电池的性能要基本均一。如果有一片,它的性能差异比较大的时候,它就影响整一条的输出。” 王文强如是说。

火星与月球不同,火星有着更恶劣的自然环境,时常出现的沙尘暴、高达100多度的昼夜温差,再加上更短的日照,让火星车对太阳能电池片的要求变得极为苛刻。对此,王文强表示:“光源产生之后,它对太阳电池片进行测试。您现在看到的每一个它的测试曲线都接近于我们教科书一样的曲线,这个要求是非常高的,说明了我们太阳电池的生产质量,它控制非常好,稳定性非常高。”

(资料来源新华网)

人类探索火星历史回顾

5月15日7时18分,一个会被历史铭记的时刻,红色火星上首次有了中国印迹。“天问一号”着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

人类火星探测起步于20世纪60年代,除中国外,全球共实施过44次探火活动,其中美国21次,苏俄19次,日本1次,欧洲2次,印度1次。

1960-1970年为第一阶段,彼时国际深空探测尚处研究初期,相关国家主要以火星飞越探测、传送火星图片与探测大气参数为主,但探测任务成功率并不高,仅有一例成功完成任务。

1960年10月,苏联向火星先后发射了两个探测器“火星1A”号和“火星1B”号,但均以失败告终。直到1964年10月,美国“水手4号”探测器才向地球传回人类史上第一张有关火星表面的近距离图像,开启了火星探测的新篇章。

1970-1990年为第二阶段,美苏重新展开火星探测活动,以轨道环绕与着陆探测为主。

在此阶段,探测任务成功率明显提高,包括“水手6号”在内的多颗探测器顺利完成任务,尤其是1971年发射的苏联“火星3号”,成功登陆火星成为首颗火星着陆器。1972年,美国“水手9号”到达火星,成为火星第一颗人造卫星。

20世纪90年代至今则是第三阶段,火星探测重新成为深空探测的热点。这其中,就有人们耳熟能详的“勇气号”“机遇号”和“好奇号”等多颗探测器,它们成功找到了火星水存在的证据。

1976年,火星,维京一号拍摄到的“大乔”。这块黑色的岩石长约2米,离探测器约有8米距离。据专家推测这块岩石应该是一座退化了的火山的遗留物。

2004年4月19日,“机遇号”在火星的第84天,拍摄到火星表面的小球体。

2005年11月23日至12月5日,也就是“机遇号”在火星上执行任务的第652天至第663天,其全景相机在厄瑞玻斯陨石坑拍摄的画面。

2011年7月13日,在火星的Claritas Fossae地区,“地堑”主要是从西北部到东南部形成。由于延伸或拖拉,地壳在两个断层之间下降,地堑形成。

当地时间2015年2月12日,美国宇航局发布的图片显示,火星霍尔登环形山北部地区存在一个直径为21千米的陨石坑。这个陨石坑的边缘已经改变,被怀疑是受到风力和水的影响。

2017年3月21日消息,NASA拍摄火星水手谷北部乔凡塔深谷中,约1000米高的山丘。

2021年5月12日消息,NASA当地时间5月12日公布“毅力号”于4月29日用毅力号桅杆相机Mastcam-Z拍摄的火星山丘“圣克鲁斯”的照片。

康荦
编辑韩哈哈
图片提供视觉中国 东方IC

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