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天问一号下一个大动作即将开启,随后再过3个月挑战火星软着陆

来源:解放日报

继2021年2月10日成功进入环火轨道、2月15日调整进入火星极地轨道后,我国首个火星探测器天问一号将迎来又一大考:进入火星停泊轨道。在进入停泊轨道并运行3个月后,环绕器和着陆巡视器将“器器分离”,着陆器挑战火星软着陆。

可以说,天问一号如今走过的每一步,都是中国航天史上的第一次。

2月10日那次精准的“刹车”制动,让天问一号成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。如果仅从“绕”这一目标看,我国已成为继苏联、美国、欧空局、印度、阿联酋之后第6个成功部署火星探测器的国家队,还是继印度、阿联酋之后第3个首次探火即获成功的国家。

© 由 解放日报 提供 天问一号刹车制动进入环火轨道,成为一颗人造火星卫星

进入环火轨道仅5天,天问一号又进行了“远火点平面机动”,形象来说,就是顺势来了一个“侧手翻”,由横着绕火星转改成竖着绕火星转,将轨道调整为飞越火星两极的环火轨道,这样天问一号就能看到火星的南北极了。这样一来,天问一号近火点高度也从400公里下调至265公里,火星看得更清楚了。

© 由 解放日报 提供 通过远火点平面机动,天问一号进入火星极地轨道

对于要一次实现“绕、着、巡”目标的天问一号而言,真正的挑战其实刚刚开始,接下来的难度系数将更大。

按照计划,这两天,天问一号回到近火点时将进行一次刹车,更换线路,迈入到停泊调向轨道;2月20日前后,当“天问一号”在停泊调相轨道上再次到达近火点时,需要再度刹车,进入停泊轨道。当然,停泊轨道并不是静止停泊不动,而是相对于下一步更关键的着陆阶段来说,保持中途停泊状态,这个停泊轨道周期约2个火星日,主要目的是对既定着陆点进行预先探测,为期长达3个月。

为何要进入停泊轨道,而且还要长达3个月?

火星探测,对于初来乍到的天问一号而言,还是陌生的,为确保安全,没有选择在入轨后就一气呵成着陆火星。我国的原则是稳妥为要,采用“先绕后落”的可靠模式。按照此前的计划,天问一号将着陆火星的乌托邦平原,具体的着陆点可能是一个古海洋的所在地,科学家认为这个地方有很高的科学价值,很大可能取得意想不到的科学成果。然而,要想在遥远的宇宙精准着陆,就需要停泊轨道上的天问一号一遍又一遍地确认地形和着陆点;同时还要洞察火星沙尘暴的动向,避开恶劣的火星天气。由此,3个月的停泊也就不足为怪了,毕竟稳妥最为重要。

© 由 解放日报 提供 对着陆区进行拍摄成像,准确定位着陆位置地形地貌

在停泊轨道上,天问一号对着陆区进行拍摄成像,选定最合适的位置后将完成“泊车”的最后一步,即实现环绕器与着陆巡视器的分离,着陆巡视器进入到火星大气。在约3个小时内,环绕器需要变轨到危险的撞击火星轨道,建立并保持着陆器进入火星大气所需要的姿态,而姿态的误差要小于0.01度。在预定分离时刻,环绕器与着陆器必须完成分离,经过安全距离飘飞过程后,环绕器需要迅速完成推力加速,以回到安全的环绕火星轨道。此时的环绕器,要犹如一名优秀的跳水运动员,需要完成一次空中高难度的翻腾和时间精准的入水。环绕器这一系列姿态机动“翻腾”和器器分离“入水”动作必须一气呵成。“入水”太早难以保证着陆器进入精度,“入水”太晚则会造成环绕器撞击火星的风险。

器器分离后,着陆巡视器将采用弹道式进入火星大气层,从穿越薄薄的大气层到最终着陆火星表面,全程大约需要9分钟。此时的着陆器处于高速飞行状态,需要经历空气动力减速、降落伞减速、反推动力减速、着陆缓冲4个环节,从而实现逐层减速直至软着陆。虽然我国航天器没有在火星软着陆的经历,但类似的套路我们已经很熟了,嫦娥三号、四号、五号着陆器成功落月的整个过程与其类似。只不过,天问一号落火之时,着陆器与地球相距大约3亿公里,通讯数据单程传输时间延迟很明显,长达约20分钟,只能依靠天问一号智能化自主操作。

© 由 解放日报 提供 火星车巡视火星之时,环绕器将在环火轨道开展探测,并承担中继通信任务

如果一切按照预想的推进,天问一号将于今年5月至6月成功实现火星软着陆,我国首辆火星车将在着陆一个星期后驶出着陆平台,开启在火星乌托邦平原的“探险之旅”。届时,中国将成为继美国之后世界上第二个成功部署火星车的国家。

值得一提的是,当火星车在火星上漫步之时,回到环火极地轨道的天问一号环绕器也不会闲着,将利用携带的中分辨率相机、高分辨率相机、磁强计、矿物光谱分析仪等载荷对火星开展多维度探测;同时,还将兼任天问一号火星车的中继通信任务,任务期至少一个火星年(687个地球日)。