要想着陆火星,总共分几步?
哈喽,小伙伴儿们,
再过不久是我们天问一号着陆火星“大日子”,
前期“追番”追了这么久,
终于要到“亲密接触”的一天了,
想想是不是还有点小激动呢?
在这关键的时刻,
没点儿知识储备怎么能行?
今天我们就一起来学习,
天问一号着陆火星的几个核心知识点吧,
敲黑板,涨姿势啦!
要想着陆火星,总共分几步?
答案很简单,三步
第一步是“进入”,
第二步是“下降”,
第三步是“着陆”。
也就是传说中的EDL过程,
E就是Entry,进入;
D就是Descent,下降;
L就是Landing,着陆。
目前全世界已进行的21次火星着陆任务中,
只有9次成功。
之所以难度这么大,
是因为地球和火星之间距离遥远,
无线电信号单程时延最长可达20分钟左右,
对于近地轨道航天器,
工程师们可以在地面实时监视、实时控制。
一旦出现紧急情况可以及时“抢救”,
而对于火星探测,航天器以什么姿态飞行,
什么时间点火、工作多长、什么时候关机,
出现问题如何处置,
都需要探测器“自行安排”。
当然,最核心、最关键的是火星大气影响。
地球上我们可以通过天气预报知道,
明天是刮风、下雨、打雷还是晴天。
随时精确测出大气温度、湿度、风速等。
而在火星上,我们没办法预报天气,
也不能准确知道火星即时的大气密度、气压、风速等关键信息,
而这些参数却直接影响着陆的成败。
火星全球性的沙尘暴基本每年都有,
持续时间能达几个月;
火星大气密度、大气风场等,
随季节、地理位置、着陆时间等变化。
一头扎进不可确知的大气环境,
是一半以上着陆任务失败的主要原因。
接下来我们就分别看看EDL三个过程中,
天问一号是怎样闯关的吧,
天问一号的EDL旅程,
从火星大气上边界(距火面约125km)开始,
总的来说,航天器进入拥有大气层的天体时,
有以下几种进入方式:弹道式、半弹道式(或称弹道-升力式)、跳跃式、椭圆衰减式。
所谓弹道式,就是航天器在大气层中飞行时,
大气来流方向沿着航天器的几何对称轴方向,
进行“正面刚”,
此时只有阻力没有升力;
除此之外,对升力不加以控制也归于此类。
这时的航天器就像子弹、炮弹一样“直奔主题”
这种方式最早见于导弹的弹道设计。
我国的返回式卫星,美苏的第一代载人飞船,
都是采用此种方式返回地球。
这是航天器最“朴素”的一种再入方式,
等于直接从太空“扔”进大气层,
这种方式下,
航天器气动总加热量较小,
但是过载较大,
落点精度较差。
半弹道式属于弹道式的升级2.0版,
在此情况下,大气来流方向没有沿着航天器的几何对称轴方向,
气体作用在航天器表面,不仅产生阻力,
也会产生升力。
有了升力的“扶助”,
航天器会按一条较为平缓的轨迹下降,
有效减少了过载,
同时,通过升力控制可以为航天器“定制”航向,
从而提高了落点精度,
但因为延长了飞行时间,总加热量增大。
中国的神舟号飞船,美国的双子星座均使用此类方法实现再入返回
跳跃式则是在半弹道式的基础上,“升力plus”的轨道设计方法
航天器以较小的角度进入大气层,
这样可以产生足够的升力使其“一跃而出”
之后航天器再次进入或多次进出大气层,
最终达到减速的目的。
刚刚载誉归来的嫦娥五号返回舱就是一名优秀的“跳跃”选手,
最后,椭圆衰减轨道则是更加“任性”的存在,
它选择以更加小的进入角掠过大气层,
而后“绕个圈圈”再次重复上述操作,
每次将椭圆半径减小一点,
直至最后落入大气层中,
这种方式无法预先选定着陆点,
花费时间长,一般只在紧急情况下,
作为应急救援使用。
天问一号采用的是半弹道式设计,
在进入段要解决两个最重要的问题:
一是“进得去”,
二是“进得稳”,
解决“进得去”的问题,
关键一步就是进入角θ的设置,
如果进入角过大,
航天器 “一头扎进”大气层中,
会在进入过程中被烧坏;
如果进入角过小,
航天器将会“跃出”大气层,导致无法成功进入。
经过科学家和工程师们的精密计算,
一般采用进入角为十度左右设计再入轨迹,
而解决“进得稳”的问题,
就要靠航天器的攻角η设计了,
首先将航天器的质心配置在偏离纵轴的位置上,使其“不稳”,
待航天器进入大气层后,
气动力矩会逐渐改变它的姿态,
最终,运动方向、质心、压心处于一条直线,
航天器便可维持相对稳定的姿态,“抬头前进了”
这个“抬头”角度就是配平攻角。
整个航天器“自我调节”至姿态稳定的过程,
也被称为“攻角配平段”。
它是航天器“稳稳当当”进入大气层的第一步
随后航天器进入升力控制段,
自带的推进机构可以使航天器在一定程度上
HOLD住自身姿态,或者改变姿态以调整航向
确保“稳重大方”地造访火星
在升力控制段结束之后,
天问一号将伸出“小翅膀”(配平翼),
通过产生反向气动力矩,
抵消质心偏移产生的气动力矩
将进入舱“立”起来,把攻角减少到0°,
也就是“直面”速度方向,
为开伞做准备。
讲到这里,进入段的工作已经基本完成,
后续的减速段和着陆段,
我们的探测器又会经历怎样的挑战呢?