當前位置: 華文世界 > 科學

跨越5460萬公裏,從月球車到火星車有多難?

2024-07-29科學

一直以來,就只有美國的「海盜號」火星探測車能夠一次性把「環繞」和「登陸」這兩項任務給完成了。

截至現在,咱們透過嫦娥 1 號和 2 號完成了環繞月球的探索,依靠嫦娥 3 號實作了登陸巡視的探索。所以呢,不少航天迷都琢磨,咱們的火星探測車能不能學學玉兔號的開發技術?探索月球和探索火星有啥不一樣?要回答這個問題,得先搞明白月球和火星的大致狀況。

【 不一樣的星球】

雖說月球跟火星都算外星世界,可它們之間有好多明顯的不同。下面就來講講月球和火星的一些主要差別:

月亮每秒大概能跑一億零二百米圍著地球轉,它的軌域有點扁,跟地球的距離一會兒長一會兒短,最短的時候呢,最長的時候能到四十萬公裏,平均距離是 38.44 萬公裏。火星圍著太陽轉,最近的距離是 5500 公裏,最遠能到四億公裏。

火星沖日說的是地球跟火星的相對位置在太陽的兩邊,也就是地球、太陽、火星在一條線上的時候。這樣的情況大概每隔 26 個月出現一次,這叫「火星沖日周期」。

在火星沖日的時候,地球跟火星之間的距離是最近的。因為地球和火星在各自的橢圓軌域上圍著太陽轉,所以它們之間的距離一直都在變。而到了火星沖日,這兩顆行星在靠近太陽的地方,導致它們之間的距離變得最近。

月亮是地球唯一的天然衛星,其品質僅為地球的八十一分之一,所以它重力很小,地表重力僅有六分之一。火星的個頭比月亮大多了,品質僅為地球的百分之十一,表面重力僅為地球的十分之一。

月球上幾乎沒啥大氣層,所以沒啥氣候變遷,也沒有對流,這就讓一天中的溫差特別大,能有 310 攝氏度。月球白天最高溫能到 130 攝氏度;晚上呢,溫度會降到零下 180 攝氏度,而且月球晝夜時長能達到 13.5 天。

火星有大氣層,可特別稀薄,就地球的百分之一那樣。中午的時候,火星赤道能到 20 攝氏度,兩極卻能到 -140 度。大型沙塵暴是火星獨有的天氣狀況,每年都來一回,強度比地球上十二級龍卷風還厲害好幾倍。

由於月亮自轉和它的軌域一樣,而且它的軌域也相同(27 號 7 號 7 號 7 號,43 分 11 秒),所以從地球上只能看到月亮的一邊,另一邊永遠都看不到。

火星轉一圈要用二十四小時三十七分鐘,這意味著火星上一天的時長跟地球上差不多。火星走完一個周期大概得 687 天,也就是說,火星上一年差不多相當於地球上兩年。

在月球表面,除了部份陡峭懸崖,其余地方都蓋著 3 到 5 米厚的土層。月壤的顆粒大小挺大,不過絕大多數在 30μ m 至 1μ m 之間,摸起來就跟一層薄薄的面粉似的。火星的地形跟地球差不太多,有高山,有平原,有山谷,差不多就是個荒涼的星球,到處是沙丘,到處是隕石砸出的坑洞。火星上最顯眼的,就是那好幾千條幹枯的河床,彎彎曲曲,相互交叉,並且多數都在靠近赤道的區域。

【不一樣的路程】

不難看出,月球和火星差別很大,這差別直接讓兩輛探測器也不一樣了。

由於距離實在太遠啦,就得用上更高等級的火箭。月面探測器用每秒 10.9 公裏的速度,進入了地球跟月球的轉換軌域。

要是想讓火星探測車能以每秒 11.2 公裏的速度進入地火轉移軌域,就得是每秒 11.2 公裏。因此,在兩個探測器品質差不多的情況下,前者得用更大的火箭。

從火星出發再到火星,這航程可比從月球出發再到月球大多了,前者往往得花 7 個月左右,後者也就 4 到 5 天就行。所以,火星探測車的測控通訊比月球探測器的復雜多了。

同樣的訊號,從月球傳到地球,跟從火星傳到地球,差別能有一百萬倍呢。所以,要對火星車進行測量和控制,不光火星車自己得有高增益的天線,在地面上還得有那種帶著大口徑天線的深空測量站。

因為火星探測車跟地球離得老遠了,測量訊號傳輸的延遲可大了(單程就得 15 到 25 分鐘),但單程延遲才 1 秒多,所以火星探測車相比遠端控制,得具備更強的自主能力。

由於距離特別遠,火星探測車奔赴火星途中要做的軌域校正,比月球探測器多得多,精度也要高得多。要是火星探測車在地球 - 火轉換軌域上,速度偏差每秒 1 米,或者高度偏差每秒 1 千米,那等它快接近火星的時候,定位偏差就會達到 10 千米。

因為火星探測車跟太陽的距離挺遠,所以它的太陽能電池板效率不低。而且,這太陽能電池板還得能扛得住火星上那種大規模的沙塵暴。

當下,中國在火星探索中「環繞-著陸-巡視」這三步遇到了難題,不能像「嫦娥工程」以及其他國家搞火星探索那樣,靠發射軌域器去幫著陸點讓著陸器著陸。

所以呀,得先把大量的火星影像還有其他火星探測衛星的科研成果掌握和分析清楚,然後在這個基礎上,挑出幾個有可能的登陸點。接著呢,再依據中國火星探測車傳回來的衛星照片,確定最終的著陸點。

【著陸「恐怖7分鐘」】

因為月球上沒有大氣層,飛船就不能靠降落傘減速,只能依靠引擎的反向推力來實作,這便是飛船被叫做「黑色 700 秒」的緣由。要知道,在月球上登陸可比在火星上登陸難多啦。

實際上,登上火星可不容易,得經受「恐怖 7 分鐘」的考驗。進入火星軌域後要是想登陸,跟返回型衛星有點像,可因為遙測、遠端控制訊號太弱,技術上難度更大。另外,在火星遠端的時候,地球上不好精確測量探測器的軌域參數,所以返回高度不好選,好多探測器最後都沒從火星遠端回來。

當下,地外行星上空間探測器的軟著陸辦法主要有三類:氣墊彈跳、腳踏板和空中起重機。每種選擇都有自身的長處和短處。氣球型相對簡單些,花費也少,不過只能滿足輕型探測器軟著陸的要求;落地腿式處於這兩者之間

一種

因為月球上沒空氣,像蘇聯的一號、二號,美國的「阿波羅」,中國的「嫦娥三號」等,都用了類似發動機的推進器,還加上一條著地腳。而火星上有大氣,像美國的「海盜號」和「鳳凰號」,登陸時就得用降落傘,還要有助推器和雙腳。

在美國,「火星探險家」與「火星漫步者」采取了降落傘加氣球跳躍的方式;「火星科學館」則運用了降落傘、氣墊引擎反向推進以及高空吊掛這些手段。

據訊息說,咱們國家在 2020 年成功發射的這個探測器 - 巡視器組合件,著陸的時候用了一種很復雜還先進的辦法,靠著降落傘、發動機的反推力以及著陸腿一起發揮作用,這才在火星表面的緩沖區域成功著陸。

這種著陸方式主要包含下面這幾個步驟:

1. 靠降落傘減速:探測器在進入火星大氣層的時候,把降落傘張開,借助空氣阻力,很好地減慢了下降的速度。這屬於火星著陸的第一個階段,就是為了讓探測器在進入大氣層後的速度降下來,給後面著陸打好基礎。

2. 發動機反推力來減速:探測器快接近火星地表的時候,降落傘減速的作用慢慢變小了,要想再把下降速度降得更慢些,探測器就會開啟裝著的發動機,靠著推力的反向作用,這樣就能很好地把下降速度放慢。這一階段的重點在於把控好發動機的推力還有燃燒的時間,讓探測器能在恰當的時候不再下降,懸停在離地表有一定高度的地方。

3. 著陸腿展開:探測器要是懸停在既定高度了,著陸腿就會伸開,為在火星地表著陸時能吸收沖擊、平穩降落做準備。著陸後,這些著陸腿能提供穩穩的支撐,保證探測器在火星表面安全著陸,不會翻倒也不會受損。

這種復雜的著陸辦法是因為中國探測器自身重量大(超過 200 公斤)才這樣的。不過呢,中國在「嫦娥三號」登月那回積累的不少經驗和技術,讓其在火星探測這塊有了一定的優勢。

特別是「嫦娥三號」登月時的懸停以及障礙物規避技術,給火星探測車的著陸與探測任務帶來了很寶貴的參考和借鑒作用。

所以啊,咱國家在國際上是領先的,還能順利完成火星探測任務,把科學研究和探索又往前推進了一大步。