点击右上角微信好友

朋友圈

点击浏览器下方“”分享微信好友Safari浏览器请点击“”按钮

文化人 天下事
正在阅读: 千年问天 梦圆火星
首页> 光明日报 > 正文

千年问天 梦圆火星

来源:光明网-《光明日报》2021-05-16 06:16

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  5月15日7时18分,天问一号火星探测器稳稳降落在首选落点—火星北半球乌托邦平原的南部,我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功。

  天问一号本领强

  光明日报记者 张 蕾 光明日报通讯员 郭 睿

  与月球探测任务相比,火星探测不仅要面临最远4亿公里的遥远距离,而且火星环境与地球环境有较大差异。火星大气稀薄,受季节、昼夜、风暴等影响非常不稳定;火星表面地形复杂,遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物;火星尘暴较地球更为严重,而我们没有火星大气模拟实测手段,也没有经过飞行验证后的数据……这些因素给天问一号着陆火星带来了极大难题,安全着陆风险非常高。

千年问天 梦圆火星

火星探测器着陆火星表面模拟图。新华社发

  “未知9分钟”

  要想平稳地降落到火星表面,就要让高速奔驰的天问一号慢下来。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节,天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开,而这个过程存在开伞困难且不稳定等问题。”航天科技集团五院天问一号探测器总体主任设计师王闯说。

  据王闯介绍,进入火星大气层以后,天问一号首先借助火星大气进行气动减速,将下降速度减掉90%左右,这个过程需要克服高温和姿态偏差。紧接着,天问一号打开降落伞进行伞系减速,当速度降至每秒100米时,通过反推发动机由大气减速阶段进入动力减速阶段。距离火星地表100米时,天问一号进入悬停阶段,完成精准避障和缓速下降后,着陆巡视器在缓冲机构的保护下抵达火星表面。

千年问天 梦圆火星

着陆巡视器与环绕器分离效果图。资料图片

  整个着陆过程,天问一号需要在9分钟内将约2万千米/小时的速度降至0米/小时。虽然此前我国已有月表着陆经验,但此次天问一号火星软着陆任务显然更加艰难:一方面,火星表面大气的密度是地球大气的1%左右,比月球表面环境更复杂;另一方面,火星距离地球更遥远,通信时延达到20分钟左右,相距遥远的地表来不及做任何处置,只能靠天问一号自主完成,经历“未知9分钟”。

  目前,人类火星探测任务成功率仅有5成左右,大部分失败都折戟在“进入/下降/着陆(简称EDL)”这一阶段。“火星探测最大的难点就是EDL,这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆,每个环节都必须确保精准无误,差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院天问一号探测器总设计师孙泽洲强调。

  银色“冲锋衣”

  天问一号能够翻越“万水千山”成功着陆火星,有件“法宝”不得不提,就是身上那件由航天科技集团五院529厂历时两年精心研制而成的银色“冲锋衣”。

  天问一号在向火星靠近的飞行轨道里要经历多次温度循环变化,其中,最高温达100摄氏度,最低温可达零下120摄氏度,这样一个温差200多摄氏度的环境对天问一号内部设备正常工作的影响极大。此外,空间的高真空特性使得天问一号在面对太阳的持续辐照下无法像飞机那样通过热对流或热传导传递热量,因此其向阳表面的温度会持续升高,造成与背阳面的巨大温差。“这种工况导致着陆巡视器内部温度严重不平衡,使得天问一号内部的‘五脏六腑’有的处于寒冷环境,有的处于高温环境,更不要说外部空间里持续不断的高能紫外线与电离辐射对其外表的损耗损伤了。”航天科技集团五院529厂的研制人员指出。

千年问天 梦圆火星

5月15日,中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥介绍着陆巡视器有关情况。新华社发

  因此,给天问一号穿件特制的“冲锋衣”就显得尤为必要。研制人员介绍,这款“冲锋衣”学名为“低吸收—低发射热控涂层”,是一种涂饰在航天器外表面的热控制材料,拥有对太阳光谱辐照的反射能力以及自身的红外辐射特性,能够有效减少空间环境对航天器内部造成的温度影响。“与其他热控涂层一样,‘冲锋衣’通过极低的太阳吸收比,可以长期有效地反射太阳辐照而来的绝大部分能量,有效解决天问一号内部冰火两重天的问题。不同的是,‘冲锋衣’不仅低吸收而且低发射。我们通过降低热控涂层的红外发射率减少真空环境下舱内向外界的辐射漏热,保证着陆巡视器内部设备正常运转的温度,让天问一号的旅程更加安全与舒适。”

  “红色星球”荒野求生

  如果只是看图片,火星的地貌似乎与地球上的沙漠戈壁并无异。事实上,火星上的风速可达每秒180米—这几乎是地球上特大台风风速的3倍还多。如野兽般凶猛的烈风会掀起大量沙尘甚至石块,让祝融号火星车的“眼睛”蒙尘,“翅膀”也不再灵活。此外,火星表面密布着石块等障碍物,因此火星车在行驶时必须小心翼翼,以免被障碍物卡住造成操作上的迟滞。

千年问天 梦圆火星

2020年7月23日,在海南文昌航天发射场,天问一号探测器由长征五号遥四运载火箭成功发射。新华社发

  为了让火星车能够在恶劣的环境中“活”下来并顺利完成使命,科研人员专门研发出一种不易沾上灰尘的新型材料,即使沾上也可以通过振动将其抖落。“我们还在实验室中特意摆放了一台一模一样的火星车,当祝融号在火星上遇到复杂路况时,实验室中的这台火星车先进行模拟行驶,确认无误后再向火星发出指令。”航天科技集团五院天问一号探测器副总设计师贾阳说。

  按照预订计划,90个火星日后,祝融号将结束巡视探测工作,环绕器也将进行轨道调整,开展环绕科学探测。

  在探索太空的新征程上奋勇前行

  作者:中国航天科技集团有限公司第一研究院党委

  由长征五号遥四火箭成功发射的天问一号火星探测器成功着陆在火星表面,为中国人行星探测的征程增添了新的历史注脚,习近平总书记专门发来贺电,勉励全体航天人坚持科技自立自强,加快建设航天强国。站在新的历史起点,中国人探索太空的脚步必将迈得更稳更远,在加快建设航天强国的新征程中奋勇前行。

  加快建设航天强国,必须牢记航天报国、航天强国的初心和使命。1955年,在登上回国的邮轮时,中国航天事业的奠基人钱学森庄严地说出了自己回国的初心:“要竭尽全力建设自己的国家,使我们的同胞过上有尊严的幸福生活。”这是对航天人初心的最佳注解,也是一代代航天人投身航天事业时最本真的情怀和追求。

  中国航天事业,从保家卫国的硝烟中走来,为维护共和国的战略安全奠定坚强基石;在自力更生的奋斗中前行,为推动科学技术进步点燃强大引擎;在改革创新的征程中加速,为促进经济社会发展提供重要支撑,取得了以“两弹一星”、载人航天、月球探测等为代表的一系列举世瞩目的成就。在从航天大国迈向航天强国的征程中,不论面对荆棘还是坦途,都必须始终坚定航天报国志向,坚定航天强国信念,坚持“祖国利益高于一切”,始终保持艰苦奋斗、勇攀高峰的昂扬姿态,勇于担当作为,无惧艰难险阻,专注走好自己的路,不断开创航天事业发展新局面。

  加快建设航天强国,必须坚持自立自强,将发展的主动权牢牢掌握在自己手中。航天事业60多年的发展,始终坚持自力更生、独立自主的发展道路,自力更生是中国航天事业的奋斗基点、立业之本。中国航天依靠自力更生、艰苦奋斗铸就辉煌,也必将依靠自立自强、自主创新走向未来。

  航天事业作为尖端科技产业,对科学技术发展具有重要的牵引辐射作用,也是构筑国家战略安全的重要基石。今天的中国航天,在许多方面已不再是落于其后的追赶者,而是并跑者甚至领跑者,我们面临的困难也不再是物质条件的艰苦,而是关键技术的封锁和科学“无人区”的空白。面对新的挑战,航天人自力更生的优良传统不能丢,自立自强的志向和骨气不能少。实践已经反复证明,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,发展航天事业、建设科技强国,不可能依靠外部力量,只有做到关键在手、核心可控,才能不被卡住发展的脖子,才能把发展的主动权牢牢掌握在自己手中。

  加快建设航天强国,必须勇于创新超越,展现更多中国速度、中国方案、中国力量。创新是引领发展的第一动力,中国航天从无到有、从小到大、从弱到强,跨过一个个技术门槛,登上一座座科学高峰,靠的就是将创新作为发展的根本动力,靠的就是敢为人先、敢于超越的创新精神。如果说航天科技是塔尖上的事业,那么创新超越就是支撑我们勇敢攀登的天梯。进入新时代,中国航天正坚定不移地走在自主创新、不断超越的道路上,浩瀚宇宙正在见证越来越多的“中国奇迹”。

  当前,国家对战略科技支撑的需求比以往任何时期都更加迫切,我们正处于“船到中流浪更急、人到半山路更陡”的关键节点,处于“愈进愈难、愈进愈险而又不进则退、非进不可”的重要时刻,我们面临的是更大范围、更高水平、更深层次的竞争,摆在全体航天人面前的是更加光荣的使命、更加艰巨的任务、更加严峻的挑战。在这个千帆竞发、百舸争流的时代,要“到中流击水、浪遏飞舟”,就不能有半点故步自封,不能有丝毫彷徨懈怠,只有点燃创新的“发动机”,注入超越的“推进剂”,才能迸发建设航天强国的磅礴之力。

  “千里眼”“体检师”保驾护航

  光明日报记者 詹 媛

  在天问一号进入火星大气后,距火星表面约7km高度时,航天科工二院25所研发的相控阵敏感器便开始工作,持续提供相对于火星表面多个方向的距离、速度数据,用于航天器的减速、悬停和软着陆控制,直至着陆巡视器降落至火星表面约5米处。

  相控阵敏感器安装在火星着陆巡视器进入舱着陆平台的下方,作用范围十几千米,可谓火星探测器的太空“千里眼”,和其他不同原理的测量敏感器一起,密切配合,“接力”引导航天器平安落地。

  据相控阵敏感器总工程师孙武介绍,这是国内首次将相控阵体制雷达应用于地外天体着陆测量。与此前的载人航天工程任务不同,火星和地球之间距离遥远,通信存在十几分钟的时延,在地球上无法控制着陆过程,必须让着陆巡视器自主完成这段旅程,对敏感器提出的要求极为苛刻。

  “相比于国内外已有的着陆测量雷达,相控阵体制的雷达天线由多个辐射单元组成,就像生物学中蜻蜓的复眼,具有波束扫描快、指向灵活、目标容量大、抗干扰能力强等特点。”孙武详细介绍了新体制敏感器的技术优势。

  “25所研制的相控阵敏感器能在预设的9个方向上任意快速切换,通过软件定义,在每个测量周期实时选取4个最优方向,测量距离速度信息,从而快速修正航天器的姿态测量误差,准确地找到火星的水平面,确保着陆器的方向控制准确无误。”

  此外,火星上时常会发生剧烈的尘暴天气,在天问一号靠近火星表面时,航天器发动机喷射也会激起地面的粉尘和沙砾,对探测传感器造成影响。

  “微波信号体制应对这种环境具有相对优势,”孙武说,“我们针对火星环境对产品进行综合优化,并在沙漠戈壁通过直升机气流模拟试验了在沙尘暴天气中的工作状态,确保测量的可靠性。”

  此次使用的相控阵敏感器更加小型化、轻量化。“相当于用1套设备完成9套传统设备的功能。”相控阵敏感器设计师贾学振介绍,“这意味着航天器可以携带更多科学载荷和燃料,完成更多的探测任务。”

  种类繁多、数量惊人的科学探测信号如何接收、怎么处理?这要依赖于国家天文台、地面接收站构建的火星探测地面应用系统。接收站如同是“眼睛”,遥望星河、接收信号;天文台好比是“大脑”,调度任务、处理信号。将火星端的图像、光谱、磁强信号,接收转化为地球端可显示的图片、波形。

  而保障这套地面应用系统正常运转,为其做“体检”的正是中国航天科工三院304所软件评测团队。

  为了全面模拟多任务并发的信号接收处理情况,团队在测试平台搭建、仿真数据模拟等既有经验基础上,用各种方法轮番“考验”这套系统,隐藏在软件内部的漏洞无所遁形。据相关人员介绍,在此前的“体检”中陆续发现百余处软件问题和隐患,将问题暴露于发生之前,守住了地面应用系统的“质量关”。

  《光明日报》( 2021年05月16日 04版)

[ 责编:丁玉冰 ]
阅读剩余全文(