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天问一号的最坏打算:应急信标亮相,若登火失败它将发挥作用

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我是好蛋呀 2021-06-13 22:14

本月11日,在天问一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式上,祝融号火星车拍摄着陆点全景图、火星地形地貌图、中国印记、着巡合影等影像图相继公布,标志着一步实现对火星绕、落、巡三大工程目标的全面完成。

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?分离相机拍摄祝融号火星车与着陆平台合影照

当天,天问一号探测器抓总研制单位航天科技五院在航天城玉琮广场为迎接天问一号探测器试验队凯旋举行了盛大的欢迎仪式。仪式现场响起了代表最高礼遇的21响礼炮,伴随着鲜花、掌声和锣鼓声的还有独具特色的舞龙表演。

迎接天问一号探测器试验队凯旋的欢迎仪式

首批科学影像图中的“中国印记”让人印象深刻,这张照片的名称颇有些喧宾夺主的味道,中国印记指的是图像右下角祝融号车辙中的“中”字,然而

这张照片的主体显然是着陆平台,它为夺取火星登陆任务的胜利可谓是立下了汗马功劳。

中国印记

中国印记照片中还有很多亮点,比如在7500N变推力发动机羽流冲刷下形成的大坑(也可能是钝化操作所致)、采用形状记忆聚合物复合材料制备的五星红旗、2022年冬奥会吉祥物“冰墩墩”与冬残奥会吉祥物“雪容融”、四条闪烁着银光应用高效吸能合金的着陆腿,以及着陆平台姿轨控动力系统,还有着陆点周围发动机羽流冲刷的痕迹等等。

着陆平台的系列外部特征

众多闪光点背后还有一个外形呈圆柱体悬挂布置在着陆平台下方的小家伙也在中国印记照片中出镜,它就是人类首个应用于航天领域的

“火星应急信标”

火星应急信标

回顾火星应急信标的立项经过,它更像是一个非预期的加塞载荷。2016年1月我国首次火星探测任务正式立项,直到两年后探测器转入正样研制阶段时探月与航天工程中心才提出应急信标研制需求。

那么,火星应急信标的作用是什么?需求出发点又是什么?

纵观人类探测器的火星登陆历史,失败概率几乎接近50%,且在祝融号成功登火之前世界仅有NASA一家具备此项能力。大多数失败都与EDL过程中的降落伞减速与之后的动力减速/缓冲着陆段有关,后者的失败次数更多,即便强如NASA也曾遭遇不少坎坷与波折。

维京1号探测器采用腿式缓冲着陆器(模型)

腿式缓冲→气囊缓冲→腿式缓冲→天空起重机,这是NASA历次火星登陆任务用到的着陆缓冲方案演化,其中气囊缓冲最初只是出于低成本和技术探索考虑将10公斤级的旅居者号送上火星,旨在初步突破火星表面巡视工程能力。

重量仅有11.5公斤的旅居者号火星车

后来的勇气号与机遇号最初计划也是采用腿式缓冲方案,但由于此前采用腿式缓冲方案的极地登陆者号的登火失败直接影响了这两辆火星车的登火方案,因此不得不继续沿用气囊缓冲方案着陆。

气囊缓冲着陆器

气囊缓冲看似独具创新特色,实际上却是不得已而为之,其着陆重量有限并不具备可持续发展的条件。因此自勇气号与机遇号之后气囊缓冲方案退出了历史舞台,凤凰号探测器重新回到腿式缓冲方案。

凤凰号腿式缓冲着陆器效果图

此时着陆平台的轻量化设计与制造水平早已超过了维京1号与维京2号的时代,完全可以满足200至300公斤级火星车的登陆需求,而此时NASA又有了更大规模的好奇号火星车应用需求,近1吨的身板又超出了腿式缓冲方案的上限,因此天空起重机方案才应运而生。

天空起重机的所谓创新并非无源之水

在天空起重机大放异彩的时代NASA并没有放弃腿式缓冲方案,比如在好奇号与毅力号两个任务之间还有采用腿式缓冲方案的洞察号探测器。选择何种登陆方案的出发点首先是看应用需求,而不是为了创新而创新。实际上天空起重机也是借鉴了半个世纪前失败的苏联火星2号探测器。

谈我们的火星应急信标为什么要回顾NASA的火星登陆方案演化?目的是深刻认知火星登陆任务的超高难度,以及面对此类工程难题的审慎态度,而这也是火星应急信标应用需求的出发点。

天问一号探测器

天问一号的工程目标可以梳理出一系列新纪录:

第一次独立探火即登陆火星、第一次独立探火即一步实现对火星的绕落巡、全球迄今为止唯一一个一步实现绕落巡火星的探测器等等。

诸多纪录告诉世人也告诫研发团队这是一个难度奇高的深空探测项目,因此必须有更加审慎的态度。

着陆巡视器进入火星大气效果图

火星应急信标就是着眼火星登陆任务失败条件下的产物,能够在探测器“硬着陆”过程中记录下相关数据并通过环绕器传回地球,从而能够向世界宣告和证明中国航天器已到达火星地表。

火星应急信标的作用远不止于此,不论登火行动失败与否它都会记录着陆巡视器登火全程产生的遥测和加速度信息,并在到达火星表面后择机将数据通过环绕器中继回传地球。

进入舱配平翼效果图

科研人员可根据这些信息重构着陆轨迹,更加深入认知火星大气环境对登陆行动产生的影响,从而为后续火星登陆任务进一步夯实基础。

火星登陆任务一般在开伞阶段风险最高,失败概率也最大,彼时着陆巡视器下落速度将近2马赫,那么火星应急信标如何承受如此高速条件下冲击火星表面的能量呢?

近2倍音速条件下超音速开伞

强冲击能量还只是众多难题的冰山一角,火星应急信标对于着陆巡视器而言可以视为一个独立体,它需要在火星恶劣环境下独自生存好几天,火星平均温度零下70°左右,最低温可以达到零下130°,这就需要独立的电源与热控系统,同时还有独立的测控模块与通信模块,如此众多的设备要放置在一个体积等同保温饭盒的容器内,且重量不能超过4公斤,意味着要将原有设备的规模缩小20倍。

既要有坚固的外壳,这个外壳还得是刚柔相济,否则即便外壳无损,内部设备也会因为强冲击而损毁,同时还要容纳服务多个工程目标的一系列载荷设备,用螺蛳壳里做道场来形容是最贴切不过的。

火星应急信标实物

除了研发难度创造了新的世界纪录,总体单位给出的研发时间周期更是极为有限,从项目立项到交付产品只有

短短的一年零八个月

。承担火星应急信标研制任务的团队来自南京航空航天大学,这也是天问一号探测器唯一由高校抓总研制的载荷。

研发团队采用三个方案齐头并进的策略快速推进,火星应急信标研制难度正如前文描述的那样,一方面是载荷小型化,再就是抗冲击,二者互为依托。

火星应急信标高速冲击试验

为了遴选出合适的容器历经了不计其数的设计迭代,同时还要将这些遴选出来的容器拿去做高速冲击试验,

需要用火炮将容器发射出去

,模拟火星硬着陆的高速冲击能量,为了让高冲击试验可控、可测地进行,团队采用了5种试验验证工作的冲击方案。

其中有一种高冲击试验方案需要人员抵近观测信标数据,人员距离信标不足10米,其中有一次试验一名成员就险些遭遇危险,不明物体击中了高速摄像机支架的锁扣,瞬间这个锁扣就没了,如果直接打在人身上后果不堪设想。这名成员就是此项试验的技术负责人。

高速冲击试验后的信标容器

谈到这里想必一定有人要苛责他们为什么要在试验条件不完备的情况下开展作业,这是缺少了同理心,没有设身处地去思考,这个世界没有什么事情是没有一点风险的,何况他们做的事情是前无古人级的难度。有了这一次的经验以后这支团队可以更加从容地迎接更多挑战。

最终选定的火星应急信标容器方案是采用三层结构的冲击防护子系统,逐层耗散吸收外界冲击载荷。

试制的各型火星应急信标容器

火星应急信标使用隔热气凝胶解决热控问题,同时设计有两幅天线确保在极端条件下的数据传输,信标内部采用锂电池供电,为了延长待机时间,他们在精准热控条件下进一步降低了电子学组部件的待机功耗。

在研制工作接近尾声的2020年春节期间一次探测器综合测试过程中又遭遇了数据丢帧现象,虽然这个问题不影响使用,但本着决不把问题带上天的原则,参研人员逆流而上,三天三夜坚守实验室解决了问题。

火星应急信标是唯一由高校抓总研制的载荷

我国航天“不把问题带上天”的原则由航天之父钱学森确立于上世纪六十年代初东风二号首飞任务失利之后。

反观NASA则至今没有确立“不把问题带上天”的原则,2018年发射的洞察号火星登陆探测器计划深入火星表面以下5米布置一台名为“鼹鼠”的热传感器,由于火星表面物质的摩擦系数太低最终部署失败,而这个摩擦系数的问题实际上早在洞察号发射之前就已经发现,但项目团队面对这个已知问题无动于衷,最终导致了这个结果。

摩擦系数过低导致钻进失败

火星应急信标强悍的抗冲击能力是假设天问一号硬着陆火星的最后底牌,如今祝融号火星车已经在火星表面稳定运行29个火星日,这张底牌永远也不需要打出去。

回想5年前天问一号任务首次公布的场景,那时它的名字还不是“天问一号”,而是“火星一号”,工程总设计师张荣桥亮相荧屏介绍任务准备情况时指出,这项工程的后墙是不能推的,因为火星探测它有个最大特点,26个月才有一次机会,你一推,赶不上这个节点,那26个月以后见了,26个月,2年多,推不起,所以后墙不倒,那我们现在瞄准的是2020年7至8月份,现在来看4年左右的时间,进度很紧张。

承运天问一号探测器的长征五号遥四火箭

就在昨天,张荣桥总师首次公开回忆项目发展伊始的过往,他指出,

我们对去火星的难度心知肚明,当初选择的方案实际上是只有环绕探测,但是我们对这个方案心有不甘。国家投钱让我们来干这么一件事情,我们的同志有个基本共识,就是不能仅仅考虑风险,更要考虑对航天技术发展和科学研究的牵引、带动作用,要体现出我们航天人的担当精神。

因此在分析了各种因素,特别是载人航天、探月工程奠定了一定的技术和设备设施基础,长征5号运载火箭提供了必备的发射能力。有了这些基础,大家就认为“踮踮脚、伸伸手”,一步实现绕着巡的风险是可控的,尽管难度很大。因此最后形成了“一步实现绕着巡,二步完成采样回”的火星探测总体发展思路。

祝融号火星车着陆点环拍

如今天问一号工程全线历经八年鏖战,取得了大洋彼岸近半世纪时间才获得的火星探测工程能力,称得上是史诗级的伟大胜利。

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