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天问一号成功着陆火星:我国首个火星探测器的300天太空之旅

天问一号成功着陆火星:我国首个火星探测器的300天太空之旅

RFID行业动态5月15日7时18分,天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区,我国首个火星探测任务着陆火星取得成功。



我国首次火星探测任务于2016年正式批复立项,计划通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视,对火星进行全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测,天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器包括祝融号火星车及进入舱。探测器自2020年7月23日成功发射以来,航行295天,约3.2亿千米,最终抵达火星表面。后续火星探测器“祝融”将依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。
2020年7月23日,天问一号在海南文昌由长征五号运载火箭成功发射
2021年2月10日,实施火星捕捉,进入大椭圆环火轨道(成为火星卫星);
2021年2月24日,实施第三次近火制动,开始两个周期的火星日49.2小时,停泊轨道、探测;
2021年5月15日凌晨1时天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道;
2021年5月15日4时,着陆巡视器与环绕器分离,历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于预选着陆区。

一、光学敏感器——茫茫太空的指南针
从地球发射天问一号到火星,要航行3.2亿千米,在这个过程中,探测器如何才能不迷路呢?关键点就是安装在环绕器上的光学敏感器。天问一号搭载了两台用于深空探测光学自主导航的关键产品——一台是光学导航敏感器,一台是红外导航敏感器。光学导航敏感器是用于巡航段,是远距离对火星成像。红外导航敏感器用于环绕段,也就是天问一号成为火星卫星的时候,用它来进行测量(天问一号)探测器的轨道位置和速度。



天问一号探测器上配置的光学导航敏感器,可以利用拍摄的恒星与火星图像,精确计算出自身的飞行姿态、位置与速度,实现相对火星的自主导航。光学导航敏感器就好比天问一号火星探测器自动驾驶过程中的眼睛。在飞近火星的过程中,探测器靠这双“眼睛”实时观测火星的距离和方向,让飞控团队可以更直观地确认飞行轨道和姿态,计算图像中火星的几何中心和视半径,天问一号也就可以通过最优估计算法,来自主获取实时的位置和速度信息。
这也是我国首次在行星际转移飞行过程中应用光学自主导航技术。

二、被火星捕捉+停泊轨道期间的四次变轨
探测器自2020年7月23日成功发射以来,在地火转移阶段完成了1次深空机动和4次中途修正。2月10日,天问一号实施了火星捕捉,进入火星轨道。
在探测器抵达火星轨道附近时,距离火星只有400公里但相对火星的速度却高达4至5公里每秒。因此,探测器必须点火制动、及时“刹车”。否则,如果制动时间过长、刹车踩早了,探测器就会一头撞向火星;如果时间过短、晚踩刹车,探测器就会因速度过快而飞离火星,无法进入环绕轨道。

2月10日,探测器第一次到达近火点时进行捕获制动,成功实现火星环绕,进入周期为10天的大椭圆轨道;
2月15日,探测器第一次到达远火点时进行变轨,调整轨道平面与近火点高度,环火轨道变为经过火星南北两极的极轨;
2月20日,探测器第二次到达近火点时进行制动,进入周期约为4天的调相轨道,使其在运行一圈再次到达近火点附近时,能够正好经过预定着陆区上空。
虽然探测器在第三次到达近火点附近时已经位于预定着陆区上空,但由于火星自转,如果不进行一次轨道调整,探测器在很长时间内都将难以再次飞过预定着陆区。因此,需要再进行一次近火制动,进入停泊轨道,让探测器能够每次回到近火点附近时,都正好飞过预定着陆区。



2月24日,天问一号火星探测器第三次运行至近火点时顺利实施第三次近火制动,成功进停泊轨道。进入周期2个火星日的火星停泊轨道后,对火星开展全球遥感探测,并对预选着陆区进行详查,探测分析地形地貌、沙尘天气等,为着陆火星做准备。之前就有火星探测器由于火星大范围沙尘的原因无法工作,所以探测器着陆还必须要考虑到天气的因素。探测器在该停泊轨道上大约运行2.5个月,在计算的最佳的时间点——五月中旬着陆。

三、惊险九分钟——火星车“祝融”无指挥着陆
天问一号着陆是整个火星探测中最重要、难度最高的环节。在人类已实施的47次火星探测任务中,成功或部分成功的只有25次。而火星着陆任务风险更高,22次着陆任务中(着陆火星19次、着陆火星卫星3次)只有10次取得成功,成功率为45%。
5月15日1时,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至“火星进入轨道”;降轨完成后,建立两器分离姿态,经地面判断允许后释放着陆巡视器。
4时,着陆巡视器与环绕器分离,历经约3小时飞行后,着陆巡视器进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,7时18分成功软着陆于预选着陆区。
探测器着陆要在九分钟内完成伞降控制、动力减速、悬停成像、避障机动、缓速下降等多个动作。由于从火星到地球的通信延迟以达到二十分钟,探测器必须自己判断如何着陆。



另一边,环绕器在两器分离约30分钟后,升轨返回停泊轨道,为着陆巡视器提供中继通信。
着陆巡视器安全着陆后,将进行桅杆、太阳翼、天线、车轮等机构的释放展开;“祝融号”火星车会驶离着陆平台,开展火星表面巡视探测。而环绕器除了给火星车提供中继通信外,还将利用搭载的7种科学载荷,对火星表面及其次表层开展科学探测,完成火星全球遥感探测任务。
自力更生的天问一号
虽然我国是世界上第二个成功着陆火星的国家,但对火星依然知之甚少,例如精确的地形地貌。在着陆前我们需要有高分辨率影像数据观测地形,但之前美国火星探测器拍摄到的图片还远远不够,同年二月美国的毅力号,在出发之前就能握有一份高清的着陆地地形图,而我国由于第一次去火星,着陆地乌托邦平原地形图的信息还远远不够。所以在着陆之前,天文一号要拍摄足够的HiRISE影像,也是为何在火星轨道上停留几个月的原因之一。
不仅如此,天问一号由火星车和环绕器组成,环绕器为给火星车做通讯中继,我国是第一次到火星,没有接应,所以一应装备也要自己带全。



四:星辰大海是征途
我国航天航空事业在国家的宏观调控下一直稳步前行:
1956年,中国第一个火箭与导弹研究机构成立。1956年也被认为是中国导弹梦、航天梦的元年。
1970年,中国用第一枚运载火箭“长征一号”将第一颗人造地球卫星“东方红一号”送入太空
1999年,中国第一艘无人试验飞船“神舟一号”成功发射,随后“神州二号”“神州三号”“神州四号”陆续顺利发射升空。
2003年,航天员杨利伟穿越大气层,不远万里为浩瀚星空增添了一抹中国红,标志着中国成为世界上第三个将人类送上太空的国家。
2007年,嫦娥奔月再也不是幻想,“嫦娥一号”用相机掀开了月球表面神秘的面纱。
2013年,“嫦娥三号”成为中国第一个月球软着陆的无人登月探测器。
……



从古至今,人们对天空的探索就从未停止过。
远古时期开始,祖先就有了对日升月落天体现象的想象,编织出美丽的神话,女娲补天、夸父逐日;
屈原感概天地浩荡,拟《天问》——“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?冥昭瞢暗,谁能极之?冯翼惟象,何以识之?……”;
明朝有官员万户想利用火箭飞天,缺因火箭爆炸而殒命;
……



动画 三体之章北海传
古人对天空的探索精神一直延续到今天,我们拥有更高端的科技,让嫦娥奔月的神话变得不再是空谈,面对浩瀚无垠的宇宙也一直保持着敬畏之心。

参考资料:
茫茫太空如何不迷路?看天问一号自主导航秘密武器
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699878924039564406&wfr=spider&for=pc
“天问一号”成功“落火”!这9分钟多惊险?
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1699880741171717338&wfr=spider&for=pc
明明我国天问号比美国火星车早发射,为什么晚三个月才登上火星? – haibaraemily的回答 – 知乎 https://www.zhihu.com/question/445286711/answer/1886313460
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