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    美國“毅力號”與中國“天問一號”區別在哪?

    發布日期:2021-2-22     來源:騰訊網

    北京時間2021210日,中國天問一號進入環繞火星軌道,219日,美國的第五臺火星車毅力號抵達火星,并直接登陸,于當天455分成功降落在杰澤羅隕石坑。許多人都有一個疑問,中國天問一號先到達火星為什么沒有立即登陸火星,而是計劃在20215-6月擇機實施火星著陸,而美國的毅力號后到火星為什么可以先著陸火星?

    美國毅力號與中國天問一號區別在哪?

    中國天問一號的總重量約為5噸,而美國毅力號探測器總重量超過4噸。由于天問一號實施近火制動過程中,將消耗近1噸燃料,將速度降低到大約每秒1公里,所以天問一號的有大約一半是燃料占重。而毅力號是直接進入火星大氣,利用大氣摩擦阻力進行減速,這樣可以節省大量燃料。所以毅力號火星車在設計上更大更復雜,它還將攜帶一架名為機智號的無人機,其重量超過了好奇號火星車成為世界最大的行星漫游車,約為1043公斤。而天問一號除去推進劑的重量,環繞器大約重1.2噸,著陸器、火星車加起來重約1.3噸,其中火星車的重量約為240公斤。

    01

    中美兩國在火星探測任務目標和技術方案上均不相同。

    “毅力號的任務目標是尋找地外生命,美國因為探索火星較早,積累了大量經驗和數據,對火星地貌進行了詳細的勘測,對著陸點比較熟悉,因此毅力號直奔主題。中國目前是首次探測火星,火星探測任務則是較為傳統的繞、落、巡三步并作一步,在環繞火星的過程中對著陸區進行詳細勘測再著陸,整個任務控制在三個月時間,可以理解為在其他國家曾經摸著石頭過河的基礎上,用一步走完多步。

    02

    毅力號所用著陸方案難度更大。

    登陸火星,不論是火星著陸器(無法移動的)又或者是火星車(可以移動的),都需要經歷三關:美國國家宇航局NASA JPL火星任務團隊熟稱EDL(進入、下降、著陸),整個過程需要經歷空氣動力減速、降落傘減速、反推動力減速,直至進入最后一關軟著陸。要成功軟著陸,最后一關共有三種模式:

    1.安全氣囊法

    適合中小型探測器的安全氣囊法,采用反推火箭助力減速,安全氣囊包裹彈跳軟著陸模式,讓探測器從時速160公里降至時速48公里,彈性沖撞火星表面。這個過程中,即使撞到了尖銳的巖石也沒事。這種被稱為Vectran高強力聚芳酯纖維具有高強度、高彈性特點,強度是芳綸的兩倍,足以經受住數次撞擊、反彈減緩、直至靜止,最終一次性放氣。該著陸方式適合200公斤以內的火星車,比如美國的勇氣號、機遇號。如果單純采用反推火箭進行動力減速,很難控制質量很輕的探測器姿態,很容易傾覆,器毀車亡。

    2.著陸支腿法

    適合大型探測器著陸支腿法,降落過程中將采用反推火箭減速和著陸器支撐模式,從時速160公里降至時速10公里以下,逐步減速,并直至最后實現軟著陸。這種著陸方式適合于幾百公斤的著陸器或火星車,如美國的海盜1海盜2著陸器、洞察號著陸器。中國的天問一號著陸器也將用這種模式挑戰軟著陸,稍有不同的是,除了反推動力減速,還特別增加了兩次懸停操作,進一步降低著陸時產生的風險。這種穩健的方法得益于早前中國探月計劃的嫦娥三、四、五號成功落月的實戰經驗。

    3.空中吊車法

    適合重型探測器空中吊車法,采用反推火箭減速+空中吊車懸停投放火星車模式。從時速160公里降至每秒0.75米的著陸速度,一旦火星車觸地軟著陸,立即切斷繩索,空中吊車飛離。

    美國毅力號在降落過程中采用的空中吊車方式,也與中國的天問一號計劃采用的降落傘+反推發動機方式不同。這是繼好奇號之后美國第二次采用空中吊車方式登陸火星,該技術的先進性和復雜程度極高,但可以滿足大質量著陸任務的需求。

    “空中吊車從本質上還是采用反推發動機技術。不過中國的天問一號以及美國早期火星車如洞察號、鳳凰號等,反推發動機在探測器下方,空中吊車方式則是火星車在下方,反推發動機從上面牽引。該技術具備2個優點,一是可以避免因發動機推力過大濺起火星表面的塵土,對探測器造成影響;二是將懸吊著的火星車到地面,對落點的平整度和坡度要求不高。

    天問一號的著陸方式,對地面平整度要求很高。因此它將沿用我國探月工程中嫦娥落月所用的懸停避障技術,確保落在地勢較為平坦的地方。

    03

    毅力號釋放火星上的首架人類直升機

    除了降落、火星車本身差距以外,毅力號還將首次在地球以外的其他星球釋放無人機,除了在大氣稀薄的火星起飛無人機存在一定不確定因素外,假設機智號成功飛行,機智號將通過火星車進行通信,然后火星車與軌道飛行器進行通信,軌道飛行器又與地球進行通信。本次火星直升機項目主要是為了進行技術驗證,并沒有被賦予太多任務使命?;鹦侵鄙龣C比軌道上的人造衛星分辨率更高,而且比火星車更加靈活,機動性更強。一旦飛行成功,將為未來火星探測增加了全新的方式。

    在地外探索上,美國自冷戰以來積累了各種技術和經驗積累,得益于深空監測網和其他技術,中美依然存在較大差距,兩國在探測領域一定要做出比較,形象的說類似于一個已經上了七年學,今年剛到初一,而中國則相當于一個剛入學直接跳至五年級的優等生。



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