天问一号四大不可不知的亮点

据国家空间科学中心消息:中国首次自主火星探测任务天问一号将于2020年夏择机发射,目标是通过一次发射任务,实现火星环绕和着陆巡视,开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区进行精细巡视勘查。这次任务过程复杂,亮点纷呈。

1、奔向火星

火星和地球一起围绕太阳旋转,它们就像在环形跑道上快速奔跑的两名运动员,地球在内圈略快,火星在外圈稍慢。再形象些,我们可以把它们想象成接力赛,什么时候从第一名运动员那里出发?沿着什么方向加速?到第二名运动员附近如何减速才最省力?这些都是需要精心考虑的问题。而在火星探测任务中,这项工作叫作轨道设计。

轨道设计中,一项重要的工作是发射窗口的分析,也就是确定探测器什么时候从地球出发。天体运动关系决定了需要大约26个月,才有一次发射火星探测器的最佳机会,因为这时候发射最省能量。既然是窗口,那就存在一定的时间宽度,在7月底到8月初的半个月,都存在发射机会,运载火箭的能力越强,发射窗口就越宽。

2、不走寻常路

着陆巡视器外观设计构形图

开展火星探测,可以发射环绕器进行火星遥感探测,也可以单独发射火星车,实现巡视探测。中国首次自主火星探测任务,将通过一次发射,实现“绕”“着”“巡”三个目标。

探测器将由长征五号运载火箭发射至地火转移轨道,与运载火箭分离后,探测器将进行轨道机动,在距离火星400千米处制动,被火星捕获,成为火星的人造卫星。

运行一段时间之后,着陆的时机到来了,着陆巡视器与环绕器分离。着陆巡视器进入火星大气,利用气动、降落伞、发动机三级减速和着陆腿的缓冲作用,软着陆于火星表面。最后,火星车驶离着陆平台,在火星表面开始巡视探测。

3、着陆火星

火星车与着陆平台分离

这次火星探测任务中,最令人紧张的就是着陆前的8分钟。

首先,探测器会瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊——角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈,角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。接下来的气动减速段是最主要的减速阶段,进入火星大气时,探测器的速度可达每秒4.8千米,大约5分钟的减速之后,速度只剩下每秒460米。

接着,专门开发的火星专用降落伞展开,进入舱的速度进一步下降到不到每秒100米,这一分多钟时间比较关注火星大气层中风的速度和方向,因为风太大影响着陆点的精度,甚至影响着陆安全。

再继续,降落伞完成使命,探测器把大底和背罩抛掉,露出着陆平台和火星车。平台上的大推力发动机开始工作,进一步减速,高度100米的时候速度基本上降到零,便于探测器观察地面,寻找最安全的具体着陆地点。

最后一点能量,要靠四条着陆腿里的缓冲吸能材料,把着陆时的冲击力缓冲掉,保证探测器不发生侧翻,平稳着陆在火星表面。

整个过程,短暂又复杂,地面没有干预的机会,完全靠探测器自主决定各个动作执行的时机。

4、火星车登场

火星车开展工作(供图/贾阳)

轮到中国第一辆火星车闪亮登场了。它有四片深蓝色的翅膀,浑身金黄,两根天线展开,就像蝴蝶的两个触角,整体视觉感受,就像是一只蓝色闪蝶。它昂头向前,首先勇敢地行驶到梯子上,然后稳健地行驶到火星表面,在火星的表面留下了两道车辙。不过,这个过程需要大约一周时间才能完成。至于火星车要向哪个方向行驶,现在谁也不知道,因为这需要地面的科学家根据拍摄的图像,判断哪里有感兴趣的目标,然后才能确定火星车的行驶方向。

受能源和通信限制,火星车不能满负荷工作。每天午后是火星车工作的时间,这个时间火星表面温度最高,探测仪器的温度相对最舒服,对火星车而言就是最省能源。

白天,火星表面阳光充足时,火星车会利用太阳能电池发出的电能,一部分用于工作,一部分储存在蓄电池中;到了夜晚,太阳落山,火星车利用储存的电能,继续工作。但是这还不够。因为光能转换成电能,效率只有30%,大部分能量被损失掉了。有没有效率更高的办法呢?

在火星车顶部,像双筒望远镜样子的设备,叫作集热窗,它可以直接吸收太阳能,然后利用一种叫作正十一烷的物质储存能量。白天,火星温度升高,这种物质吸热融化,到了晚上,温度下降,这种物质在凝固的过程中,释放热能,这样效率可以达到80%以上。

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