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中国航天的小目标:从月球车到火星车有多难?

时间:2016年08月31日 信息来源:北京日报 点击: 【字体:

8月23日,“中国火星探测工程名称和图形标识全球征集活动”新闻发布会在北京召开,并首次公布了中国第一个火星探测器和火星车外观设计构型。2020年,我国首次火星探测将一次完成“环绕、着陆、巡视”三个探测任务,这在世界火星探测史上是前所未有的,将面临巨大挑战。

中国航天的小目标:从月球车到火星车有多难?

▲中国火星巡视器驶离着陆器示意图。

中国航天的小目标:从月球车到火星车有多难?

▲美国凤凰号火星着陆器利用发动机反推着陆。

中国航天的小目标:从月球车到火星车有多难?

▲美国3代火星车比较。

此前,只有美国海盗号火星探测器一次实现了“环绕、着陆”两个探测目标。

目前,我国已通过嫦娥1号、2号完成了对月球的“环绕”探测任务,通过嫦娥3号完成了对月球的“着陆、巡视”探测任务,所以有不少航天爱好者会问,我国的火星车能否借鉴玉兔号月球车的研制技术?探测月球与探测火星有什么区别?要回答这一问题,首先要了解月球和火星各自的概况,然后才能通过对比分析认识它们的异同。

不一样的星球

首先应该知道的是,虽然月球与火星都是地外星球,但它们有很多不同之处。例如:

月球以1.02千米/秒(3683千米/小时)的速度,在稍扁的轨道上绕地球公转,离地球时近时远,最近时约36万千米,最远时约40万千米,平均距离约为384400千米。而火星以椭圆轨道绕太阳飞行,它与地球的最近距离约为5500万千米,最远距离则超过4亿千米。大约每隔26个月就会发生一次火星冲日,地球与火星的距离在冲日期间会达到极近值,通常只有不足1亿千米。

月球是地球唯一的一颗天然卫星,其质量相当于地球质量的1/81,所以引力较小,其表面重力只有地球的1/6。而火星比月球大许多,质量相当于地球质量的11%,其表面重力约为月球的2.5倍、地球的4/10。

月球上没有大气,所以没有风雨变幻,无法靠对流的方式来传递热量,这使得月球的白天和夜晚的温差高达310℃。月球白天最高温度可达130℃;晚上温度会下降到-180℃左右,且月球的白天和夜晚各自长达13.5天。而火星有大气,但非常稀薄,密度大约只有地球的1%。火星赤道中午时可达20℃,两极最低温度-140℃。巨大沙尘暴是火星大气中独有的现象,几乎在每个火星年里都要发生一次,最大可达地球12级台风的几倍,而且一旦刮起来可持续3个多月。

由于月球的自转和公转周期一样,都是一个恒星月(27日7时43分11秒),所以在地球上只能看见月球的一面,背向地球的一面永远看不见。而火星自转周期为24小时37分,即火星上的一天几乎和地球上的一样长。火星公转一周约为687天,即火星的一年约等于地球的两年。

在月球上,除悬崖峭壁外,几乎所有月面都覆盖着平均厚度为3-5米的月壤。月壤的粒度分布很广,但绝大部分颗粒在30微米到1毫米之间,摸起来跟面粉一样细腻。而火星和地球一样拥有多样的地形,有高山、平原和峡谷,基本上是沙漠行星,地表沙丘、砾石遍布,遍布遭陨星袭击后因撞击形成的坑坑洼洼。它最引人注目的地形特点是干涸的河床,多达数千条,蜿蜒曲折,纵横交错。它们主要集中在火星的赤道区域附近。

不一样的路程

从上述对比可以看到,月球和火星大相径庭,而这些差异直接影响到月球车和火星车的设计、研制、试验、发射、着陆、巡视和探测等许多方面。

由于距离远,对发射火星探测器的火箭要求也比较高。月球探测器进入地月转移轨道的速度为10.9千米/秒。而火星探测器要进入地火转移轨道的速度必须达到第2宇宙速度才行,即11.2千米/秒。因此,发射同等质量的月球探测器和火星探测器时,后者要求用推力更大的火箭。

火星探测器飞往火星的时间和距离,比月球探测器飞往月球的时间和距离长得多,前者最快一般需约7个月,后者最快只需四五天就能到达目的地,所以对火星探测器的测控,要比对月球探测器的测控通信复杂得多。

同样的一个信号,从月球发射到地球接收和从火星发射到地球接收要差100万倍。正因此,测控火星探测器对探测器本身以及地面测控站,都提出了很高的要求,既要求火星探测器装有高增益天线,也要求地面有天线直径很大的深空测控站(天线的直径和探测距离成正比,增大天线口径可以增加探测距离)。近年,我国在佳木斯和喀什分别建成了直径64米和35米S/X双频段地面深空测控站(以前是18米),它们能满足未来火星探测器的测控要求,曾对距地球约1亿千米的嫦娥2号进行了测控。

由于距离地球远,火星探测器测控信号的传输延时很长,单向就达15-25分钟,而月球探测器测控信号的传输延时单向仅为1秒多,对火星探测器的遥测遥控比月球探测器更为复杂,要求火星探测器有更高的自主性。

由于路途漫漫,火星探测器在飞往火星的途中,要进行比月球探测器次数更多、更精确的轨道修正才行,这样才能准确地飞到火星。如果火星探测器在地火转移轨道近地点有1米/秒的速度误差或1千米的高度误差,飞到火星附近时都将产生10万千米的位置误差。

因为火星探测器远离太阳,它所受到的太阳辐射强度大大减弱,其太阳电池翼性能必须更高。另外,火星车的太阳电池翼还要能经受火星巨大沙尘暴的考验,美国第1代火星车,就是因为火星沙尘暴覆盖了其太阳电池翼而没有开展更长时间的探测工作。据悉,我国的火星车有4个太阳能电池板。

现在,我国火星探测面临的难题是要一次完成“环绕、着陆、巡视”,而不能像“嫦娥工程”或国外大多数火星探测那样,先发射轨道器帮助选择合适的着陆地点,然后再发射着陆器在选好的着陆点着陆。这就需要事先掌握、分析其它火星探测器拍摄的大量火星图片和研究成果,从中选择几个候选着陆地点;另外,还要通过我国火星环绕器发回的图像最终确定着陆地点。

据悉,我国的火星着陆地区已初步选定在火星北纬5°至39°一带。之所以选择低纬度地区是由于我国火星车将用太阳能供电,从光照角度考虑,最理想的地方是火星赤道附近,但是火星赤道附近的地形复杂。另外,由于登陆火星99%以上的减速是靠大气减速,因此着陆点海拔越低减速时间越长,着陆越安全。综合考虑地形复杂度、高程、光照条件、温度等因素,火星比较适合着陆点在北纬5°至39°的区域。

着陆“恐怖7分钟”

月球没有大气,落月探测器不能依靠降落伞来减速进行软着陆,而只能靠自己的发动机反推来减小下降速度,有人称落月探测器着陆过程为“黑色700秒”。似乎在月表着陆比在有大气的火星表面着陆更难。

其实,在火星上着陆也不容易,要经历“恐怖7分钟”。由于火星探测器距离地球太远,无法依靠地面遥控,所以有人称火星探测器切入火星轨道的难度,相当于从巴黎打一个高尔夫球,正好落到了日本东京的某个球洞里。在探测器切入火星轨道后,如果要在火星表面着陆,其过程类似于返回式卫星,但技术难度大得多,因为遥测和遥控信号十分微弱;另外,当探测器运动到火星背面时,地球无法准确地确定其轨道参数,这就给探测器再入高度的选择带来困难,许多探测器都因此功亏一篑。1999年12月3日,美国“火星极区着陆器”在即将登陆火星表面时,由于软件错误导致其起减速作用的火箭发动机过早关闭,最终撞毁。2003年,欧洲猎兔犬2号着陆器在与火星“火星快车”轨道器分离后便失踪了。

空间探测器在地外星球软着陆方式目前主要有三种:一是气囊弹跳式,二是着陆腿式,三是空中吊车式,每种方案都各有优缺点。气囊式比较简单,成本低,但只能满足重量小的探测器软着陆要求;空中吊车式反之;着陆腿式介于它们两者之间。

月球没有空气,苏联月球车1号、2号,美国“阿波罗”登月飞船和我国嫦娥3号月球探测器等,都采用缓冲发动机反推+着陆腿的方式。火星上有空气,在火星上着陆时都要使用降落伞来减速,例如,美国海盗号、凤凰号火星着陆器采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿的方式;美国“火星探路者”、“火星漫游者”采用降落伞+气囊弹跳的方式;美国“火星科学实验室”采用降落伞+缓冲发动机反推+空中吊车的方式。

据悉,我国2020年发射的火星着陆器-巡视器组合体,将采用降落伞+缓冲发动机反推+着陆腿的方式,具体来说就是经过气动外形减速、降落伞减速、反推发动机减速,展开着陆腿,缓冲着陆到火星表面。其可能的原因是:我国的巡视器即火星车质量较大,为200多千克;另外,我国有嫦娥3号在月球着陆的先进技术和经验可以借鉴,其中的悬停、避障技术居世界领先。

延伸阅读:各有各的难处

我国2020年发射的火星车设计寿命3个火星月(相当于地球上的92天),装有13台科学载荷,其中包括不同分辨率的火星遥感相机,进行火星浅层结构探测的浅层雷达等。为规避火星极端天气的影响,将设置自主休眠和自主唤醒功能。

火星车在地外星球着陆后也不是万事大吉。因为火星的重力比月球大许多,火星的气候、表面的环境、行驶的路况也与月球千差万别,所以在火星车的设计、研制和试验等方面,都与月球车有许多不同,其中在某些方面月球车难度可能更大,例如:由于没有大气和月球自转慢,月夜有长达13.5天的-180℃超低温,所以落月探测器的热控系统比较复杂。而火星车虽不会遇到这种恶劣的温度环境,但它要经受火星沙尘暴以及远距离测控通信、能源供给等方面的考验。

因为月球车和火星车行驶的路况、环境等不同,它们在移动分系统(包括轮子)、导航控制分系统、有效载荷分系统等方面也不完全一样。例如,月球车可采用地面遥控与自主控制相结合的办法进行巡视探测,而离地球遥远的火星车需采用自主控制为主的办法进行巡视探测;月球自转慢,且没有大气,因此其上的探测仪器可对宇宙天体进行全波段连续观测,而火星没有这一优势;月球车如果落在月球背面,就必须依靠月球中继卫星与地球联络,而火星车不存在这个问题。

总之,虽然月球车和火星车有一些相同之处,研制时可以进行一定的相互借鉴,但由于它们所探测的星球有很大的不同,因此在设计时差别很大,各有各的难处。总的来讲,火星车的研制和运行更难,这也是一般国家都是“先探月、后探火”的原因吧。


(作者:弥尘)
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