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跨越5460万公里,从月球车到火星车有多难?

2024-07-29科学

一直以来,就只有美国的「海盗号」火星探测器能够一次性把「环绕」和「登陆」这两项任务给完成了。

截至现在,咱们通过嫦娥 1 号和 2 号完成了环绕月球的探索,依靠嫦娥 3 号实现了登陆巡视的探索。所以呢,不少航天迷都琢磨,咱们的火星探测车能不能学学玉兔号的开发技术?探索月球和探索火星有啥不一样?要回答这个问题,得先搞明白月球和火星的大致状况。

【 不一样的星球】

虽说月球跟火星都算外星世界,可它们之间有好多明显的不同。下面就来讲讲月球和火星的一些主要差别:

月亮每秒大概能跑一亿零二百米围着地球转,它的轨道有点扁,跟地球的距离一会儿长一会儿短,最短的时候呢,最长的时候能到四十万公里,平均距离是 38.44 万公里。火星围着太阳转,最近的距离是 5500 公里,最远能到四亿公里。

火星冲日说的是地球跟火星的相对位置在太阳的两边,也就是地球、太阳、火星在一条线上的时候。这样的情况大概每隔 26 个月出现一次,这叫「火星冲日周期」。

在火星冲日的时候,地球跟火星之间的距离是最近的。因为地球和火星在各自的椭圆轨道上围着太阳转,所以它们之间的距离一直都在变。而到了火星冲日,这两颗行星在靠近太阳的地方,导致它们之间的距离变得最近。

月亮是地球唯一的天然卫星,其质量仅为地球的八十一分之一,所以它重力很小,地表重力仅有六分之一。火星的个头比月亮大多了,质量仅为地球的百分之十一,表面引力仅为地球的十分之一。

月球上几乎没啥大气层,所以没啥气候变化,也没有对流,这就让一天中的温差特别大,能有 310 摄氏度。月球白天最高温能到 130 摄氏度;晚上呢,温度会降到零下 180 摄氏度,而且月球昼夜时长能达到 13.5 天。

火星有大气层,可特别稀薄,就地球的百分之一那样。中午的时候,火星赤道能到 20 摄氏度,两极却能到 -140 度。大型沙尘暴是火星独有的天气状况,每年都来一回,强度比地球上十二级龙卷风还厉害好几倍。

由于月亮自转和它的轨道一样,而且它的轨道也相同(27 号 7 号 7 号 7 号,43 分 11 秒),所以从地球上只能看到月亮的一边,另一边永远都看不到。

火星转一圈要用二十四小时三十七分钟,这意味着火星上一天的时长跟地球上差不多。火星走完一个周期大概得 687 天,也就是说,火星上一年差不多相当于地球上两年。

在月球表面,除了部分陡峭悬崖,其余地方都盖着 3 到 5 米厚的土层。月壤的颗粒大小挺大,不过绝大多数在 30μ m 至 1μ m 之间,摸起来就跟一层薄薄的面粉似的。火星的地形跟地球差不太多,有高山,有平原,有山谷,差不多就是个荒凉的星球,到处是沙丘,到处是陨石砸出的坑洞。火星上最显眼的,就是那好几千条干枯的河床,弯弯曲曲,相互交叉,并且多数都在靠近赤道的区域。

【不一样的路程】

不难看出,月球和火星差别很大,这差别直接让两辆探测器也不一样了。

由于距离实在太远啦,就得用上更高等级的火箭。月面探测器用每秒 10.9 公里的速度,进入了地球跟月球的转换轨道。

要是想让火星探测器能以每秒 11.2 公里的速度进入地火转移轨道,就得是每秒 11.2 公里。因此,在两个探测器质量差不多的情况下,前者得用更大的火箭。

从火星出发再到火星,这航程可比从月球出发再到月球大多了,前者往往得花 7 个月左右,后者也就 4 到 5 天就行。所以,火星探测器的测控通信比月球探测器的复杂多了。

同样的讯号,从月球传到地球,跟从火星传到地球,差别能有一百万倍呢。所以,要对火星车进行测量和控制,不光火星车自己得有高增益的天线,在地面上还得有那种带着大口径天线的深空测量站。

因为火星探测器跟地球离得老远了,测量信号传输的延迟可大了(单程就得 15 到 25 分钟),但单程延迟才 1 秒多,所以火星探测器相比远程控制,得具备更强的自主能力。

由于距离特别远,火星探测器奔赴火星途中要做的轨道校正,比月球探测器多得多,精度也要高得多。要是火星探测器在地球 - 火转换轨道上,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时候,定位偏差就会达到 10 千米。

因为火星探测器跟太阳的距离挺远,所以它的太阳能电池板效率不低。而且,这太阳能电池板还得能扛得住火星上那种大规模的沙尘暴。

当下,我国在火星探索中「环绕-着陆-巡视」这三步遇到了难题,不能像「嫦娥工程」以及其他国家搞火星探索那样,靠发射轨道器去帮着陆点让着陆器着陆。

所以呀,得先把大量的火星图像还有其他火星探测卫星的科研成果掌握和分析清楚,然后在这个基础上,挑出几个有可能的登陆点。接着呢,再依据中国火星探测器传回来的卫星照片,确定最终的着陆点。

【着陆「恐怖7分钟」】

因为月球上没有大气层,飞船就不能靠降落伞减速,只能依靠引擎的反向推力来实现,这便是飞船被叫做「黑色 700 秒」的缘由。要知道,在月球上登陆可比在火星上登陆难多啦。

实际上,登上火星可不容易,得经受「恐怖 7 分钟」的考验。进入火星轨道后要是想登陆,跟返回型卫星有点像,可因为遥测、远程控制信号太弱,技术上难度更大。另外,在火星远端的时候,地球上不好精确测量探测器的轨道参数,所以返回高度不好选,好多探测器最后都没从火星远端回来。

当下,地外行星上空间探测器的软着陆办法主要有三类:气垫弹跳、脚踏板和空中起重机。每种选择都有自身的长处和短处。气球型相对简单些,花费也少,不过只能满足轻型探测器软着陆的要求;落地腿式处于这两者之间

一种

因为月球上没空气,像苏联的一号、二号,美国的「阿波罗」,中国的「嫦娥三号」等,都用了类似发动机的推进器,还加上一条着地脚。而火星上有大气,像美国的「海盗号」和「凤凰号」,登陆时就得用降落伞,还要有助推器和双脚。

在美国,「火星探险家」与「火星漫步者」采取了降落伞加气球跳跃的方式;「火星科学馆」则运用了降落伞、气垫引擎反向推进以及高空吊挂这些手段。

据消息说,咱们国家在 2020 年成功发射的这个探测器 - 巡视器组合件,着陆的时候用了一种很复杂还先进的办法,靠着降落伞、发动机的反推力以及着陆腿一起发挥作用,这才在火星表面的缓冲区域成功着陆。

这种着陆方式主要包含下面这几个步骤:

1. 靠降落伞减速:探测器在进入火星大气层的时候,把降落伞张开,借助空气阻力,很好地减慢了下降的速度。这属于火星着陆的第一个阶段,就是为了让探测器在进入大气层后的速度降下来,给后面着陆打好基础。

2. 发动机反推力来减速:探测器快接近火星地表的时候,降落伞减速的作用慢慢变小了,要想再把下降速度降得更慢些,探测器就会开启装着的发动机,靠着推力的反向作用,这样就能很好地把下降速度放慢。这一阶段的重点在于把控好发动机的推力还有燃烧的时间,让探测器能在恰当的时候不再下降,悬停在离地表有一定高度的地方。

3. 着陆腿展开:探测器要是悬停在既定高度了,着陆腿就会伸开,为在火星地表着陆时能吸收冲击、平稳降落做准备。着陆后,这些着陆腿能提供稳稳的支撑,保证探测器在火星表面安全着陆,不会翻倒也不会受损。

这种复杂的着陆办法是因为我国探测器自身重量大(超过 200 公斤)才这样的。不过呢,我国在「嫦娥三号」登月那回积累的不少经验和技术,让其在火星探测这块有了一定的优势。

特别是「嫦娥三号」登月时的悬停以及障碍物规避技术,给火星探测器的着陆与探测任务带来了很宝贵的参考和借鉴作用。

所以啊,咱国家在国际上是领先的,还能顺利完成火星探测任务,把科学研究和探索又往前推进了一大步。