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登陆火星的“黑色七分钟”  

2015-04-28 08:56:30|  分类: 探索荟萃 |  标签: |举报 |字号 订阅

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登陆火星的“黑色七分钟”

2015-04-27 赛先生 

从月球到火星是探测太阳系的科学路径和主要方向。探月工程之后,火星探测将成为我国未来深空探测的重点。不过,这是一项极具挑战的任务。特别是,火星着陆过程中,着陆器高速进入火星大气,在通过大气阻力实现减速并安全着陆的过程中,需要经历技术难度最大、失败概率最高的“黑色七分钟”。那么,怎样才能实现在火星表面的安全着陆呢?


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从地球到火星 图片来源:www.telegraph.co.uk
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人类飞向火星

由于航天飞行能力的约束,在可以预见的将来,人类还无法飞出太阳系。而在太阳系内,只有火星的自然环境与地球最相似,是太阳系中唯一经改造后适合人类长期居住的天体,也是人类移居外星球的首选目标。

毫无疑问,人类探索火星的道路将充满挑战,但这种挑战和冒险精神,才是人类社会蓬勃发展的原生动力。从深空探测的发展战略分析,不管是载人重返月球还是载人登陆小行星,最终瞄准的目标都是载人登火星,只是实现途径不同而已。载人登陆后,人类将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进。

由于地球和火星都是运动的天体,所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射,而是每隔2年零2个月(780天)才有一次发射机会,这样的发射机会称为“发射窗口”。也就是说,火星探测器的“发射窗口”每隔26个月才会打开一次。这是因为每隔780天,太阳、地球、火星就会排列成一条直线,这被称为火星冲,此时是发射火星探测器的好机会。更进一步,如果发生火星冲的时候,火星正好处于离太阳最近的位置(近日点),这时火星与地球的距离也最近,称为火星大冲。

火星大冲每隔15~17年才会发生一次,所以每到这个难得的时机,往往就成为各国竞相开展火星探测的丰年。上一次火星大冲出现在2003年8月23日,当时火星距离地球5575万公里。这一年的6月2日,欧洲发射“火星快车号”环绕探测器和“猎兔犬2号”火星车,6月10日美国发射“勇气号”火星车,7月7日美国再次发射“机遇号”火星车。下一次火星大冲将在2018年7月出现,届时火星距离地球5759万公里。三年后,我们就将看到另一场火星探测的盛宴。

20年后的2035年9月,是另一个火星大冲,届时火星距离地球5691万公里,人类航天史上继阿波罗登月之后最伟大的时刻可能上演。基于对航天技术能力和火星探测战略的认识,我们预测:人类有望在未来20年左右首次登陆火星表面。如果2035年没能实现载人登陆火星的话,下一次机会就只能等到2050年了。

黑色七分钟

火星探测的方式主要包括遥感探测和着陆探测两种。遥感探测主要通过轨道器实现,目的是对火星表面开展全球性遥感;着陆和巡视探测主要通过着陆器和火星车来实现,目的是对火星表面重点地区开展定点精细探测,并寻找火星曾经或现在存在生命的证据。

轨道器飞行在火星大气层之外,技术上相对容易一些。而如果是火星车或着陆器,则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面,这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕。

探测器从130多公里的高空进入火星大气,时速高达21000公里(每秒5.9公里),要在短短七分钟的时间内,让探测器的速度降至零,从而实现安全着陆。这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻,被称为“黑色七分钟”。

上世纪六七十年代,前苏联对火星探测很有热情,发射了世界上第一个火星探测器,并在每个发射窗口几乎都会发射3~4颗火星探测器,雄心勃勃地希望在火星探测上占据领先地位,但失败接二连三,严重地打击了自信心。在前苏联(包含俄罗斯)已经发射的17颗火星探测器中,只有3颗算是基本成功,其中有1颗还是部分成功(成功着陆,但没有获得有意义的成果),整体成功率不足18%。

相比而言,美国迄今为止共发射17颗火星探测器,其中成功13颗,成功率高达76%。近年来,欧洲、印度、日本等国家和地区的组织在火星探测方面也多有动作,其中,印度于2013年11月5日先于中国发射亚洲首颗火星探测器。作为深空探测的后起之秀,面对世界航天发展的新形势,我们必须突出重点、有所作为,积极规划自主火星探测,在人类探索太阳系的征程中做出与大国地位相适应的贡献。

如何安全着陆

回顾世界各国的火星探测历史,我们发现,安全着陆在火星表面主要通过3种方式来实现:

第一种方式是气囊缓冲。1996年12月4日发射的“火星探路者”采用气囊缓冲成功着陆至火星表面,初步验证了火星大气进入、减速和着陆缓冲全过程的可行性;2003年6月和7月分别发射的“勇气号”与“机遇号”火星车,使气囊缓冲着陆的方式得到了充分验证,成功实现了对火星表面较大范围的巡视。

第二种方式是着陆支架缓冲。2007年8月4日发射的“凤凰号”着陆器比“机遇号”和“勇气号”更重,如果依靠降落伞和安全气囊着陆,则须使用更大的降落伞、更重的气囊,但这又会占用本该用于科学仪器的重量。因此,“凤凰号”采用了着陆支架缓冲的方式,实现了在火星北极地区的安全着陆。

第三种方式是空中吊车着陆。2011年11月26日发射的“好奇号”火星车(又叫“火星科学实验室”)的重量将近1吨,是“勇气号”、“机遇号”火星车的5倍,长度是它们的2倍,携带了众多的先进探测设备。为实现这个“大块头”的安全着陆,“好奇号”任务团队研发了新的着陆方式——天空起重机,实现了更大质量载荷的大气进入、减速、着陆。在经过大气摩擦减速和降落伞减速后,“好奇号”的“空中吊车”开启8台反推发动机,从而进入主动减速的缓慢下降段。空中吊车和“好奇号”火星车组合体的速度降至0.75米/秒之后,空中吊车用缆绳将火星车缓慢下放。当火星车下降到距地面的某个设定高度时,缆绳被自动切断,从而实现火星车在一定距离范围内的安全着陆。

火星表面着陆方式的选择不仅与航天技术水平有关,也与着陆器或巡视器的质量和工作方式有关。一般而言,质量较轻的巡视器大多采用气囊缓冲方式着陆,包裹的气囊较小,方便火星车顺利驶出并开展科学探测;为避免减速不足导致巡视器及其载荷受损,质量较重的巡视器则不宜采用气囊缓冲,应采用着陆支架缓冲方式吸收着陆冲击,这种着陆方式在探月工程“嫦娥三号”任务研制中已有成功经验。对于更重的探测器,则需要采用反推火箭减速的空中吊车着陆方式,可以最大程度减少着陆冲击,但该技术对测控、数据传输和自动控制等技术要求较高,难度较大。

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2011年发射的“好奇号”火星科学实验室是迄今为止最先进和最重的火星车,体积大小和重量都远远超过其它火星探测器,如“探路者号”、“勇气号”和“机遇号”火星车以及“凤凰号”火星着陆器。
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“火星生命”计划

为了让大家更容易地理解火星着陆的关键技术,我们选择刚刚完成论证工作,并启动实施的欧洲“火星生命”计划作为典型案例,详细分析火星着陆的技术难点。

欧洲“火星生命”计划(Exobiology on Mars)的全称为“火星上的太空生物学”计划,包括2016年和2018年两次发射任务。该计划预算约16亿美元,目的是探测甲烷等微量气体的生物学证据、研究火星上的生物进化或地质演变过程、搜寻火星生命信号。除此之外,该计划还要试验火星表面着陆关键技术,对火星表面环境进行勘察,为后续火星探测任务奠定基础。

“火星生命”计划最初由欧洲空间局和美国国家航空航天局(NASA)合作开展,由于经费限制,NASA于2012年退出该计划。2013年初,俄罗斯航天局代替NASA成为该计划的合作伙伴。

俄罗斯航天局负责研发“火星生命”计划2018任务的下降模块和着陆平台,并为两次任务提供“质子”系列的运载火箭。除此,双方将合作研制科学仪器,共同开展火星表面的科学探索。

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“火星生命”计划2016任务已完成论证并启动实施。
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2013年6月17日,欧洲空间局与火星探测器制造商阿莱尼亚太空公司签署了“火星生命”计划2016任务(以下简称2016火星任务)的正式研发合同,该计划探测器进入最终研制阶段。

火星生命计划预计2016年1月第一次发射,经过9个月的巡航飞行,于当年10月到达火星。

该任务由两个探测器组成,一个为“痕量气体轨道器”(TGO,以下简称轨道器),另一个为“大气进入、减速和着陆验证器”(EDM,以下简称着陆验证器)。其中,轨道器主要探测火星大气中的微量气体;着陆验证器主要用于火星表面着陆试验,为2018年的火星着陆任务做验证,同时为未来其它火星任务积累经验。

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科学家正在对痕量气体轨道器开展全面细致的地面测试工作。
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2016火星任务主要包括三大科学目标:1)寻找火星过去存在或现在存有生命的痕迹;2)分析火星次表层土壤中的水和化学环境;3)研究火星大气中的痕量气体成分及其来源。

另外,通过2016火星任务的实施,“火星生命”计划将实现四大技术目标:1)验证将科学仪器安全着陆在火星表面的大气进入、减速和着陆(EDL)技术;2)实现火星车对火星表面的巡视探测;3)实现火星次表层样品采集;4)实现火星样品采集、封装、转移和分析。

在2016火星任务之后,欧洲还将实施“火星生命”计划2018任务,发射一辆火星车,携带一套钻探工具和多套科学仪器,钻探至两米深的土壤层,以研究火星土壤的化学成分和可能的生命信号。

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“火星生命”计划2018任务拟发射的火星车。
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12016火星任务的轨道器

2016火星任务中的轨道器由欧空局负责研发,将搜寻火星大气层中的甲烷和其他痕量气体(体积浓度<1%),这些气体是说明火星现在存在生物或曾经存在生物的标志物。

轨道器的轨道高度约在400千米,搭载的科学仪器主要对火星大气中的多种气体进行探测,如甲烷、水蒸气、二氧化氮和乙炔等,进而确定这些气体的分布区域及其来源。这些区域,也将是未来火星计划的最佳着陆点之一。

已有探测结果表明,火星大气含有微量的甲烷,且不同地区和不同时间的甲烷含量不同。由于甲烷在地质历史中难以长期存在,所以,探测到甲烷预示着火星可能至今仍在产生甲烷。不过,尽管生物消化过程中会产生甲烷,但其他的物理化学过程也会释放甲烷气体,比如铁的氧化。因此,我们至今仍不清楚火星大气中的甲烷究竟是来自于生物过程还是化学反应。

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“火星生命”2016任务。其中,图左为轨道器和着陆验证器的组合体,图中为着陆验证器,图右为轨道器。
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22016火星任务的着陆验证器

为支持未来的火星探测任务,2016火星任务特别搭载了一个着陆验证器。目的是验证火星表面安全着陆的技术平台,进行可控的火星表面登陆试验,验证火星大气进入、减速下降和着陆过程中的关键技术,并计划将一个质量为3千克的科学仪器包,着陆在火星表面进行持续4个火星日的短期科学实验(火星上的一天比地球上长39分35秒)。

着陆验证器主要是为了测量从火星高空至火星表面的大气参数,包括大气密度、温度、压力、风场等;测量强的火星尘暴条件下的大气特征;扩展有效工程数据量,分析遥感测量数据与理论模型的差异。当然,由于受到科学仪器质量、能源供应和下传数据量的限制,这些科学目标不一定能够完全实现。

对2016年火星任务而言,着陆验证器最主要的技术目标是,试验和验证欧洲后续火星探测任务必需的关键技术环节,如:气动热力学分析、火星大气进入与减速系统设计、制导—导航和控制系统设计与着陆系统设计。

着陆验证器是一个盾型航天器,由一个半锥角70度的盾头前体结构和一个半锥角为47度的圆锥形后体结构组成。着陆验证器外直径为2.4米,表面平台直径为1.7米,气动外形继承了“火星探路者”、“机遇号”、“勇气号”和“凤凰号”火星探测器的气动外形。

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着陆验证器的气动外形示意图。
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着陆验证器的结构构型分解示意图。
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在着陆验证器和轨道器组合体飞往火星的巡航过程中,为减少主电池的能量消耗,着陆验证器处于休眠模式。由轨道器为组合体提供必需的操作以及与地球间的通信,并为着陆验证器提供所需能源。

组合体到达火星3天前,着陆验证器通过三点旋转分离机构与轨道器分离,并为着陆验证器提供大于0.3米/秒的相对速度和2.5转/秒的自旋角速度,使着陆验证器与火星大气进入边界点成0度攻角。

着陆验证器在火星大气层停靠阶段将持续3天,停靠时间长短取决于轨道器与着陆验证器分离后的轨道修正,为进入火星大气提供必须的轨道机动。这一阶段对着陆验证器而言非常关键,导航和分离机构的散布将会叠加,进入火星大气边界点的轨道散布也将进一步增加。本阶段最关键的动作,是利用着陆验证器后体上的太阳敏感器测量惯性姿态,在抵达进入火星大气边界点前,激活探测器系统,为启动火星着陆程序做准备。

由于2016火星任务抵达火星时恰逢全球性沙尘暴季节,因此在进行着陆验证器设计时,必须考虑沙尘暴的影响。

3着陆系统

着陆验证器的着陆系统包括一个被动着陆装置(可压缩缓冲结构)和一个主动着陆装置(液体肼单组元推进系统)。主动着陆装置保证着陆验证器在高度约1.5米时实现悬停(减速至0)。

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着陆验证器的主动着陆装置,即液体肼单组元推进系统的组成。
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被动着陆装置由一种层压的可压缩缓冲材料构成,这种材料在冲击过程中以变形方式吸收冲击能量,以达到最终缓冲的目的。在反推发动机作用完成后,着陆验证器表面平台将以4米/秒的速度着陆,可压缩缓冲材料使该速度带来的冲击降至最低,最大冲击过载为40g。实现缓冲功能最大的挑战是可压缩缓冲材料的结构布局设计。

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着陆验证器的被动着陆装置,即可压缩缓冲材料的结构构型示意图。
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由于着陆验证器上既没有放射性同位素电池(核电源),也没有太阳能电池板,因此着陆验证器在火星表面着陆后的能源供给,只能依靠携带的主电池供电,但其电力非常有限,所以着陆验证器在火星表面的工作寿命只有4个火星日。

4大气进入下降着陆

当着陆验证器与轨道器分离后,将以双曲线轨道进入火星大气层。着陆验证器可能的目标着陆点是火星子午线平原,这一区域的地形和大气特性目前已经全面掌握,在该区域着陆可以将火星表面着陆风险降至最低。

目前,目标着陆区的散布椭圆半长轴小于50千米。科研人员正通过NASA提供的着陆区高分辨率图像对周围环境特征进行深入分析,随着对着陆区特征的认识更加明确,危险识别能力将进一步增强。

当着陆验证器抵达火星大气层边界(高120千米处)时,最大相对速度为5.827千米/秒,确定是否进入大气层走廊还须考虑热流密度、热流载荷、载荷因子、降落伞充气载荷和着陆点精度等5个因素和火星大气条件的变化以及气动特性。

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着陆验证器火星大气进入、减速、着陆的全过程。
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当着陆验证器沿双曲线轨道进入火星大气后,飞行速度减至612~714米/秒(1.8~2.1倍音速)范围内时,直径12米的降落伞打开。当降落伞达到稳定减速后,前体弹射分离;安装在着陆验证器表面平台上的多普勒雷达高度计开始测量。测量数据传输至惯性测量单元,通过计算获得动力下降段点火时的高度。着陆验证器到达该高度时,降落伞携带后体与着陆验证器表面平台分离。着陆验证器高度约1400米,速度约80米/秒时,开始启动最后的动力下降段。

在动力下降段,着陆验证器在9台400牛顿单组元反推发动机的作用下逐渐减速,最终在高1.5米处,垂直速度和水平速度减至0,反推发动机关机,着陆验证器表面平台自由着陆到火星表面。着陆时,着陆验证器表面平台下的缓冲蜂窝夹层结构将起到减小着陆冲击荷载的作用,这种压缩吸能结构具有质量轻、体积小、简单可靠、成本低的优点,并使得着陆后的着陆验证器表面平台离火星表面的距离很小。

着陆验证器表面平台上安装了总质量为6千克的多套传感器,主要目的是测量火星大气进入、减速、着陆过程中的工程参数,着陆验证器成功着陆火星表面后,这些测量数据将传回地球,重建着陆验证器的飞行轨道。

所谓“火星移民”

既然登陆火星的技术难度很大,说了这么多,最后希望尽一个科研工作者的本分,指出一些有违科学精神的社会现象。

此前,荷兰一家公司抛出了一项名为“火星一号”的太空计划,声称将在2023年实现人类首次移民火星,将挑选两男两女共4名志愿者,用有去无回的“单程票“奔赴火星。据说,有4位华人已入选初步候选人,国内外媒体也纷纷报道。

但是正如前面所述,去往火星的载人飞船从进入130公里高度的火星大气层顶部开始,要在七分钟的时间内,将航天器的飞行速度从时速两万多公里下降至零,经受“黑色七分钟”。人体能否承受这种高速冲击?飞船外壳的隔热能力是否足够?飞船将采用何种方式着陆?这些都还没有答案。

而且,世界上还没有任何国家成功研制载人火星飞船,研制周期将达到10年以上。因此,载人登陆火星的关键技术瓶颈还远没有突破,相关技术还不完善,更何况,提出“火星一号”计划的荷兰公司并没有获得任何有技术实力的太空科研机构的支持,根本不可能有技术能力将人安全地送上火星。

此外,载人登陆火星是一项十分庞大而复杂的系统工程,技术难度和经费需求将远远超越“阿波罗”登月计划。美国航天局仅研制一辆不载人的“好奇号”火星车的总花费就高达25亿美元,预计载人登火星的经费支出至少需要上千亿美元。因此,靠个人捐助实现如此庞大的太空项目基本不太可能。

火星是太阳系内最类似地球的一颗行星,载人登陆火星是人类走出地球最关键的一步,寄托着全人类的希望。因此,登陆火星是一项全人类共同努力才能实现的宏大事业,各国科学家正在为这一宏伟目标而努力。

太空探索是全人类的共同事业,人类探索太空的目的应该是纯粹的,即以探究未知世界,造福人类社会为宗旨。至于“火星一号”所谓的火星移民,本来就只是一种商业炒作,我们没有必要过度关注这个项目,更没有必要对它充满期待。



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