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登陆火星的“黑色七分钟”

时间:2015-04-27来源:科学公园 作者:赛先生 点击:

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?

从地球到火星 图片来源:www.telegraph.co.uk

从地球到火星 图片来源:www.telegraph.co.uk

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。

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