要想着陸火星,總共分幾步?_風聞
剑啸易水寒-深知身在情长在,前尘不共彩云飞。2021-05-15 08:19
來源:微信公眾號“中國探月工程”
哈嘍,小夥伴兒們,
再過不久是我們天問一號着陸火星“大日子”,
前期“追番”追了這麼久,
終於要到“親密接觸”的一天了,
想想是不是還有點小激動呢?
在這關鍵的時刻,
沒點兒知識儲備怎麼能行?
今天我們就一起來學習,
天問一號着陸火星的幾個核心知識點吧,
敲黑板,漲姿勢啦!
要想着陸火星,總共分幾步?
答案很簡單,三步:
第一步是“進入”,
第二步是“下降”,
第三步是“着陸”。
也就是傳説中的EDL過程,
E就是Entry,進入;
D就是Descent,下降;
L就是Landing,着陸。
目前全世界已進行的21次火星着陸任務中,
只有9次成功。
之所以難度這麼大,
是因為地球和火星之間距離遙遠,
無線電信號單程時延最長可達20分鐘左右,
對於近地軌道航天器,
工程師們可以在地面實時監視、實時控制。
一旦出現緊急情況可以及時“搶救”,
而對於火星探測,航天器以什麼姿態飛行,
什麼時間點火、工作多長、什麼時候關機,
出現問題如何處置,
都需要探測器“自行安排”。
當然,最核心、最關鍵的是火星大氣影響。
地球上我們可以通過天氣預報知道,
明天是颳風、下雨、打雷還是晴天。
隨時精確測出大氣温度、濕度、風速等。
而在火星上,我們沒辦法預報天氣,
也不能準確知道火星即時的大氣密度、氣壓、風速等關鍵信息,
而這些參數卻直接影響着陸的成敗。
火星全球性的沙塵暴基本每年都有,
持續時間能達幾個月;
火星大氣密度、大氣風場等,
隨季節、地理位置、着陸時間等變化。
一頭扎進不可確知的大氣環境,
是一半以上着陸任務失敗的主要原因。
接下來我們就分別看看EDL三個過程中,
天問一號是怎樣闖關的吧,
天問一號的EDL旅程,
從火星大氣上邊界(距火面約125km)開始,
總的來説,航天器進入擁有大氣層的天體時,
有以下幾種進入方式:彈道式、半彈道式(或稱彈道-升力式)、跳躍式、橢圓衰減式。
所謂彈道式,就是航天器在大氣層中飛行時,
大氣來流方向沿着航天器的幾何對稱軸方向,
進行“正面剛”,
此時只有阻力沒有升力;
除此之外,對升力不加以控制也歸於此類。
這時的航天器就像子彈、炮彈一樣“直奔主題”
這種方式最早見於導彈的彈道設計。
我國的返回式衞星,美蘇的第一代載人飛船,
都是採用此種方式返回地球。
這是航天器最“樸素”的一種再入方式,
等於直接從太空“扔”進大氣層,
這種方式下,
航天器氣動總加熱量較小,
但是過載較大,
落點精度較差。
半彈道式屬於彈道式的升級2.0版,
在此情況下,大氣來流方向沒有沿着航天器的幾何對稱軸方向,
氣體作用在航天器表面,不僅產生阻力,
也會產生升力。
有了升力的“扶助”,
航天器會按一條較為平緩的軌跡下降,
有效減少了過載,
同時,通過升力控制可以為航天器“定製”航向,
從而提高了落點精度,
但因為延長了飛行時間,總加熱量增大。
中國的神舟號飛船,美國的雙子星座均使用此類方法實現再入返回
跳躍式則是在半彈道式的基礎上,“升力plus”的軌道設計方法
航天器以較小的角度進入大氣層,
這樣可以產生足夠的升力使其“一躍而出”
之後航天器再次進入或多次進出大氣層,
最終達到減速的目的。
剛剛載譽歸來的嫦娥五號返回艙就是一名優秀的“跳躍”選手,
最後,橢圓衰減軌道則是更加“任性”的存在,
它選擇以更加小的進入角掠過大氣層,
而後“繞個圈圈”再次重複上述操作,
每次將橢圓半徑減小一點,
直至最後落入大氣層中,
這種方式無法預先選定着陸點,
花費時間長,一般只在緊急情況下,
作為應急救援使用。
天問一號採用的是半彈道式設計,
在進入段要解決兩個最重要的問題:
一是“進得去”,
二是“進得穩”,
解決“進得去”的問題,
關鍵一步就是進入角θ的設置,
如果進入角過大,
航天器 “一頭扎進”大氣層中,
會在進入過程中被燒壞;
如果進入角過小,
航天器將會“躍出”大氣層,導致無法成功進入。
經過科學家和工程師們的精密計算,
一般採用進入角為十度左右設計再入軌跡,
而解決“進得穩”的問題,
就要靠航天器的攻角η設計了,
首先將航天器的質心配置在偏離縱軸的位置上,使其“不穩”,
待航天器進入大氣層後,
氣動力矩會逐漸改變它的姿態,
最終,運動方向、質心、壓心處於一條直線,
航天器便可維持相對穩定的姿態,“抬頭前進了”
這個“抬頭”角度就是配平攻角。
整個航天器“自我調節”至姿態穩定的過程,
也被稱為“攻角配平段”。
它是航天器“穩穩當當”進入大氣層的第一步
隨後航天器進入升力控制段,
自帶的推進機構可以使航天器在一定程度上
HOLD住自身姿態,或者改變姿態以調整航向
確保“穩重大方”地造訪火星
在升力控制段結束之後,
天問一號將伸出“小翅膀”(配平翼),
通過產生反向氣動力矩,
抵消質心偏移產生的氣動力矩
將進入艙“立”起來,把攻角減少到0°,
也就是“直面”速度方向,
為開傘做準備。
上一次講到我們的探測器
已經闖過了最初“進入段”,
接下來就是降落傘準備出場減速了。
天問一號攜帶祝融號火星車
即將在明天上午着陸火星表面,
我們一起來解鎖着陸技能吧~
地球上載人飛船使用的降落傘,
是在亞音速條件下打開使用。
而在火星上使用降落傘,
是在超音速條件下打開充氣。
如果不提前把攻角減少到0°,
過快的速度會使得降落傘在拉直過程中,
“搖擺不定”偏離拉直方向,
造成如傘衣損壞、傘繩斷裂、
漏氣塌陷等後果,
所以需要提前“擺正姿態”。
在前期“瘋狂減速”基礎上,
航天器速度已從4.8km/s減速到數百米/秒
完成總減速量90%以上,
使得航天器具備傘降條件。
此時,巡視着陸器“頭頂”降落傘展開,
開始在火星上“兜風” ,
當速度減小至亞音速後,
就可以拋掉一路以來“衝鋒在前”的大底。
隨着減速繼續,
當着陸巡視器速度降至不足百米/秒時,
靠火面的稀薄大氣已經不能繼續有效支撐傘降,
降落傘減速效率不再具有優勢,
着陸巡視器就會“破殼而出”拋棄背罩,
進入動力減速段。
從動力減速段開始,
火星車和着陸平台就要用自己的“眼睛”去看,
用自己的“力氣”去走,
開始為着陸做準備,
首先是發動機點火工作,
進行動力減速,
着陸巡視器降至距離火面百米左右高度時,
懸停在空中開啓雷達和光學相機,
探測預選着陸區,測定離火面高度,
對着陸區成像,自主分析地形,
選出較為平坦的區域準備着陸。
之後瞄準自主選擇好的着陸位置,
緩速下降,
將自己“小心輕放”於火星表面。
經過這一趟驚險闖關,
我們的着陸巡視器終於踏上紅色大地了
Wuhu~,火星,我們來啦
小夥伴們也許會問,
為什麼落火需要這麼複雜又驚險的過程呢?
我們前期在探月工程中已經積累了
很多再入經驗,
是名副其實的“老司機”了,
為何採用這套複雜又危險的組合動作呢?
這時候就要好好講一講區別了,
火星不同於月球,
月表大氣十分稀薄,幾乎可以忽略不計,
而火星表面則是包圍着“紮實”的大氣層,
這一方面對航天器進入加設了“關卡”,
另一方面也提供了“先天”的減速措施,
可以“幫助”航天器在進入段依靠氣動力
完成主要減速過程。
大氣帶來的“先天”減速優勢,
如果換算成燃料效能如何呢?
我們可以對照探月任務算一筆賬,
着陸月球要求從15km高度
減速1.7km/s至月面,
而着陸火星是要求從125km高度
減速4.8km/s到達火星表面,
如果還是按照僅靠消耗燃料的減速方案,
火星探測器要攜帶的燃料重量
將遠遠超過探測器本身重量,
所以着陸火星所經歷的層層闖關,
也算是天問的“剛需”了
講到這裏,本階段科普時間就可以告一段落了
是不是對我們的火星探測
更加憧憬與期待了呢?
這次火星車所用到的黑科技還遠遠不止這些。
讓我們一起期待祝融號在火星的的表現吧,