進入火星大氣到最終著陸歷時9分鐘,天問一號面臨哪些挑戰?

北京新浪網 (2021-06-12 13:08)
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原標題:進入火星大氣到最終著陸歷時9分鐘,天問一號面臨哪些挑戰?

天問一號此次著陸火星面臨哪些挑戰?有何相應的技術創新?

6月12日,在國家航天局舉辦的新聞發佈會上,我國首次火星探測任務探測器系統總設計師孫澤洲表示,著陸下降過程是此次任務風險最高的環節,從進入火星大氣到最終著陸到火星表面,歷時雖然只有9分鐘,但過程非常複雜。

「這個環節中我們要面對不熟悉而且多變的火星大氣環境,還要自主完成十幾項的關鍵動作,而且這些動作環節也是環環相扣的。」從進入火星大氣到最終著陸到火星表面,要經過四個階段。要把相對於火星4.8公里/秒的速度減到為0。這期間兩段最為關鍵,由於在火星減速進入過程中是利用大氣減速,這兩段承擔了減速98%的需求,98%的減速都是利用火星大氣來減速的。

但是火星大氣又跟地球不同,密度不同、成分不同,而且還有一些風速的多變性。「所以說這就決定了我們這次著陸任務過程,對於火星的著陸,與地球的進入和著陸,以及月球的著陸的差異性,是面臨最主要的挑戰。」

對於這樣的新環境,我國在技術上做了哪些準備和技術創新?孫澤洲介紹了針對於氣動減速段兩項有代表性的技術創新和進步。

第一是針對氣動的影響,首先通過全新的氣動力、熱的實驗方法研究,確定了針對於火星大氣條件下進行氣動力、熱的演算法和實驗手段。

「為此我們還改造了一些風洞,進行二氧化碳成分影響等等實驗工作。也是通過這樣一個工作、演算法和試驗確定,最終建立起完備的整個過程中氣動力、熱資料庫,這是一個基礎。」孫澤洲表示,由這個基礎設計了全新氣動外型,與地球進入不同,與國外氣動著陸外型也不同。

同時,針對火星大氣進入,我國採用了彈道升力方案,提高對火星大氣不確定性的適應能力,降低不可干預環境帶來的風險。

「這樣一個方案雖然可以很好適應火星大氣環境不確定性,但是也面臨很多難題。」孫澤洲表示,其中一個就是進入過程中,氣動減速段需要一定的配平攻角,「在開傘前我們又把這個攻角調回來,利於我們開傘尾流對稱性,使開傘的風險更小。」

我國在國際上首次採用配平翼的打開,利用火星大氣阻力進行攻角調整。這一方案相比以往火星表面進入的方案,系統重量只有國外的10%。「這就是氣動力、熱方式以及我們技術方式上的創新。」

第二是降落傘。孫澤洲表示,地球返回中也有降落傘,火星大氣稀薄,採用這個外型操作有不穩定性,雖然都是傘,但是開傘方式不同,針對這樣一個超音速、低動壓、低密度情況下,我國設計了新的傘型,開展了模擬分析方法的完善以及地面實驗方案的構建。

針對地面模擬困難,國內首次利用火箭彈,在距離地面30公里左右高空開展全過程模擬。「這也是第一次使用,也遇到很多困難,但最終我們在地面做了完整的開傘驗證,也為這次任務順利進行或者成功著陸奠定了很好的技術基礎。」

此外,火星表面巡視跟月球還有不同,火星表面呈現低光照,太陽光能量相對比較小。火星表面容易出現沉陷。

「針對這兩點,我們在技術上怎麼解決?」孫澤洲表示,首先是首次在國際上、在火星上採用太陽能集熱器技術,使得對太陽能利用率達到80%,極大提高對太陽能利用效率,也為火星車在火星表面提供了很好的溫度保障。

針對沉陷這樣的火星特殊地貌下如何可靠行使,我國採用主動懸架系統,這個系統雖然實現起來複雜,但是針對於可能的沉陷或者車輪故障、爬坡能力,可以得到進一步提高。

「我們可以主動改變我們移動的形態,實現車體抬升、車輪抬升甚至蠕動等等形態,一旦沉陷可以實現多種移動方式實現脫困。」

孫澤洲說,這也是國際上首次在地外天體採用主動懸架移動系統,作用是更好適應我們在火星上穩健移動、可靠移動的目標。此外,我國在星際通信、自主導航、自主管理等方面的方法方案和技術上也都有創新。