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第74集 我国的火星探测之路(下)

第74集 我国的火星探测之路(下) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-19   浏览数:
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  在上一期节目中,我们提到,火星探测的风险很高,而中国的首次火星探测器使用复杂的绕落巡设计,更是提高了任务失败的可能。火星绕落巡的方案属于中国首创,以前还没有其他国家在一次火星探测任务中,同时实现环绕和着陆巡视探测。虽然环绕、着陆和巡视合一的设计有利于使用有限的经费获得更多的成果,但也带来了更大的难度和复杂度。那么,中国此次的火星探测项目究竟会如何发展呢? 

  传统火星探测的固有难度自不必说,中国首次火星探测任务增加了着陆和巡视探测,其中最困难的部分就是穿越火星大气的下降和着陆过程。由于距离遥远,这个过程地面根本无法实时控制,只能由着陆器完全自主完成。美国的好奇号火星车就将这个过程称为“恐怖7分钟”。 

  火星探测器总设计师孙泽州表示,他最担忧的就是火星极为不确定的大气情况。中国尚未开展火星探测,虽然有国外公开的论文和数据,但对火星大气密度和组成、火星大气变化规律和火星风暴特征等因素仍然缺乏深入了解,实现成功降落的难度可想而知。中国的嫦娥三号成功实现了月球软着陆,但月球和火星软着陆有着巨大的区别,也与载人飞船或是返回式卫星的地球软着陆大相径庭。 

  根据现有的报道,中国的火星探测器着陆登陆火星需要经过四个阶段:热盾气动外形减速、超音速降落伞减速、反推发动机工作减速和着陆腿缓冲吸能。这与美国近些年的火星着陆探测有明显区别,倒是与最早的海盗号着陆器非常相似。火星着陆的前两个阶段,由于火星重力和大气与地球不同,很难在地面模拟;后两个阶段与嫦娥三号的月面软着陆相似,但也仅仅是相似。 

  简单地说,火星是一颗质量较大拥有稀薄大气层的行星,这是火星软着陆最大的麻烦所在。由于火星环绕速度大又存在大气层,火星软着陆无法像月球软着陆那样不考虑防热,也就是必须考虑气动外形的因素。一般都要专门设计热盾外形,这与地球软着陆较为相似;火星大气又非常稀薄,减速效率远不如地球大气层,地球上飞船和返回式卫星都使用亚音速下打开的降落伞即可,而火星着陆器使用的都是超音速降落伞,而且为了保证安全,基本都选择低海拔地区着陆。 

  不仅如此,火星大气环境也相当复杂,尤其是不时出现的风暴更是增加了着陆的难度。苏联的火星二号探测器的着陆器,就是一头扎进火星的沙尘暴里,结果导致着陆失败。中国的首颗火星探测器进入火星轨道后再施放着陆器,也算是总体方案激进的大背景下,细节上借鉴海盗号和火星二号的经验教训偏向保守的设计。 

  2020年是一个火星探测的热门年份,不仅中印的探测器发射飞向火星,美国的2020年火星车、俄欧联合的地外火星车、阿联酋的希望号探测器届时也将发射升空,中国火星探测任务将吸引更多的关注带来更大的影响,就更不能为了提高首次任务的成功率简化火星探测器设计了。 

  火星探测与月球探测有很大的区别,遥远的距离和稀薄的大气层,以及崎岖的地形和恶劣的环境,都带来了不同的挑战。中国在月球探测上取得了巨大的成功,为了提高航天工业的技术水平,进一步开展火星探测是理所当然的。 

  环绕火星的轨道器并没有太大技术难度,叶培建等科学家曾提出使用嫦娥二号环绕探测火星的构想,一个试验性的火星轨道器除了获得加入探测火星俱乐部的虚名,在国家声望和科学探索上都不会有太大的价值,这也是中国航天五院和八院早期的自主火星探测方案中,分别增加了试验着陆器和撞击穿透器的根本原因。 

  既然要借着火星探测的东风提高中国航天深空探测能力和水平,那么一个更为先进和复杂的环绕、着陆和巡视器,自然是更好的选择。 

  话说回来,绕落巡一体的设计看似十分激进,但仔细分析跨度并不是太大:火星轨道器对今天的中国航天来说不是什么问题;火星着陆器的预研也一直在进行,且不说2011年就已经进行过的气囊缓冲试验,在2016年3月航天报又报道了五院508所的超音速降落伞风洞试验;至于火星巡视器,玉兔号月球车面对的月球环境温差要比火星苛刻的多,做一个能用的火星巡视器同样不是太大的难题。 

  不过,孙泽州总设计师也表示,中国火星探测的科学目标还没有最终确定,但基本集中在几个方面。这个表态道尽了中国深空探测中工程技术优先,科学探索搭便车的尴尬。如果中国发射类似印度曼加里安或是阿联酋希望号那样的火星环绕轨道器,首次任务缺乏经验,载荷性能恐怕也不尽人意。 

  美国从海盗号开始,发射了为数不少的火星着陆器和火星车,但火星还是有太多的地方充满未知和机遇。例如,美国航天局规划的2020火星车已经预选了8个着陆区,但这部火星车只能探测一个地点,其他具备同等级科研价值的7个区域只能放弃。中国首次火星探测任务的火星车重量和科学仪器水平都向机遇号火星车看齐,与好奇号和火星2020有很大差距,但仍有希望获得新的科学发现。 

  从这个意义上说,中国首次火星探测技术上最大的难点在于着陆,而最有科学价值的部分在于巡视探测,这个结合环绕着陆和巡视的火星探测方案,兼顾了经费投资、工程技术和科研任务,虽然存在一定的风险,但也是目前形势下最好的选择。 

  中国的月球探测计划循序渐渐的绕落回三步走给人留下了深刻印象,中国航天和中科院早期的规划中,火星探测同样打算谨慎地进行绕落回三步走,但随着技术和能力的提高,火星环绕和着陆探测已经合二为一,于是三步走也就成了两步走,首次火星探测绕落巡任务之后,中国将进行空前难度的火星取样返回任务。 

  火星取样返回任务是火星无人探测皇冠上的明珠,它不仅具有极高的技术难度,花费同样不菲。美国从20世纪60年代以来进行火星飞掠、火星环绕、火星着陆和火星车巡视探测,但在火星取样返回任务上仍然充满挑战,而目前估算的高达50亿-90亿美元的任务开支,让美国航天局也不得不拉上欧空局联合进行。 

  中国航天打算挑战火星取样返回这样的旗舰级任务,可不仅仅是勇气可嘉,而是认真开展了各种预研准备工作。 

  2015年中国火星取样返回的论文中,甚至直接借用了嫦娥五号的概念,使用一个330千克的钟形返回舱携带火星样品返回。至于火星取样返回任务的火星着陆和取样技术,也在2020年火星绕落巡任务中得到验证。 

  如果2020年火星绕落巡探测任务进展顺利的话,中国有望和美欧同步开展火星取样返回任务,这将使中国的火星探测技术和能力达到国际领先水平,而包括嫦娥五号在内的一系列任务,将为火星取样返回任务奠定坚实的基础。 

  不过话说回来,在没有充分进行火星遥感和巡视探测的条件下,缺乏对火星土壤、水冰、矿物、岩石和地质构造的深入了解,火星取样返回,在科学上或许并不是一个好主意,有可能劳师动众花费巨资,取回的样品却不具备足够的科研价值。但无论如何,2020年发射的中国火星探测任务都是一个值得期待的开始。 

  好的,今天的非常科学到这里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”来关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们节目组进行互动。主持人亚楠代表编辑制作感谢大家的收听,并诚邀您明天同一时间继续与我们相约《非常科学》。 


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