什麼是火星探測“飛掠、環繞、降落、巡視”四大類型任務?
2020年07月15日15:35

  來源:太空精釀

  火星是地球的鄰居,但這個鄰居並不算“近鄰”。數據對比而言,地球赤道一週4萬千米,光速僅需0.13秒便可環遊。但地球與火星的距離在5500萬-4億千米之間變化,單程都需3-22分鐘之久。更何況地球與火星每隔780天才有一次會合機會,會合前幾個月的時間窗口適合開展火星探測,單程6-11個月的探測時間。茫茫深空中,失之毫釐,謬以千里,探測器的探索之旅著實不易。人類火星探測進行了60年,所有探測成功率僅一半左右,難度可想而知。

人類目前有四種火星探測任務示意圖,未來在計劃突破第五種:采樣返回
人類目前有四種火星探測任務示意圖,未來在計劃突破第五種:采樣返回

  根據技術發展過程和任務目標需求,探測火星的任務主要分為四種。

  一、驚鴻一瞥:飛掠任務

  顧名思義,這種任務只是在火星附近飛速掠過,趁著極短的時間抓住一切可能記錄有用數據,隨後滑入深空。相比動輒數月的深空旅行時間,觀測火星的真正有效時間僅在1天左右。

  對於以火星探測為最主要目標的昂貴任務而言,這是非常不理想的設計。然而,人類在60年代開啟火星探測時,火箭運輸能力不足,探測器自身推進系統能力有限,軌道控制和確定精度不足,很難讓探測器製動減速留在環繞火星軌道,實屬無奈之舉。那時,能實現工程驗證目標、得以一瞥火星真容就成為飛掠任務的核心,甚至連這個目標都很難:1960-1964年,蘇美開啟的火星探測大幕開局就是6次慘烈的失敗。

水手四號和距離火星最近時拍到的火星細節©️NASA
水手四號和距離火星最近時拍到的火星細節©️NASA

  失敗並不可懼,一切總會迎來曙光。1964年11月28日發射的水手4號終於成功,它於1965年7月15日最近距離火星約1萬千米飛掠而過。在短暫觀測時間內,探測器努力控制住鏡頭和各種科學儀器對準火星,記錄了22張火星圖片和磁場、溫度、大氣等研究數據,隨後滑入深空,與火星永遠再見。

  隨著技術逐漸成熟,以飛掠為目標的火星探測任務逐漸消失,但也有一些探測地球外側星體的任務“兼職”飛掠探測火星。例如探測彗星的羅塞塔號、探測小行星帶的黎明號都曾飛掠火星,2018年發射的洞察號著陸器也帶了兩顆微小衛星飛掠火星。

  二、登高望遠:環繞任務

  隨著探測器技術的進步,靠近火星後已經可以依靠自身動力製動進入環繞火星的大橢圓軌道。如果推進能力更強、或者借助火星頂部稀薄大氣緩慢“大氣刹車”,甚至可以直接變軌成圓形軌道,保持穩定的軌道高度更有效觀測火星。

  由於環繞器(軌道器)能夠長期環繞火星,登高望遠,能採集海量的數據,全方位研究火星的磁場、大氣層、重力場、水、淺層土壤等方面,極大豐富了人類對火星的認知。此外,環繞器還能起到至關重要的信號中繼作用,服務於降落在火星表面的著陸器和巡視器。其中一個著名的任務是2001年發射的奧德賽號,它已經工作了19年,且這個數據還在不斷延長!

火星奧德賽號©️NASA
火星奧德賽號©️NASA

  三、觀天測地:降落任務

  降落(軟著陸)任務的最大優勢是能仔細研究火星表面的各種細節,尤其是對水、氣象、底部大氣、土壤成分、地表地貌、潛在有機物和深層土壤的研究。但需要說明的是,由於重量和能量限製,著陸器自身不可能攜帶巨大的天線與地球直接聯絡,它僅能將所有信息發給火星上空的環繞器,讓後者代為轉發。著名任務如2018年發射的洞察者號,它可以深入火星內部數米,研究火星內部熱流和地震等。

 洞察者號著陸器©️NASA
 洞察者號著陸器©️NASA

  火星降落是人類航天的天頂科技之一,最典型特點是著陸系統需要完全自主導航控制完成著陸之旅。標準的火星著陸過程持續時間僅7分鐘左右,遠不夠完成一次地火通訊,這意味著全程多個複雜的動作,例如劇烈衝擊下姿態控制、超聲速下打開降落傘、拋隔熱大底、降落傘和支撐結構脫離、反推火箭工作、懸停避障、減速軟著陸等必須依靠著陸器自主完成,對軟件和硬件的要求極高。

  四、自由移動:巡視任務

  巡視器又名火星車,它相比不能移動的著陸器而言,最大優勢在於可以隨處移動,意義不言而喻。由於不帶有固定著陸器必須攜帶的推進劑儲罐、著陸腿、支撐結構、控制機構等複雜部分,巡視器可以集中於科研載荷,從事多地點多方面的精細研究。

  因此,火星車是近些年火星探測的核心,複雜程度越來越高,待機工作時間也越來越長。一些著名的任務,例如勇氣號、機遇號火星車使用太陽能電池板實現了遠超預期90天的工作時間。昂貴的好奇號火星車花費超過25億美元,它採用了放射性同位素電機(又名核電池)為主要動力,可以全天候工作,且超能長待機,著陸火星8年後至今仍在火星工作。

好奇號火星車在火星的自拍,為視覺效果機械臂已經抹去©️NASA
好奇號火星車在火星的自拍,為視覺效果機械臂已經抹去©️NASA

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