两器分离如何完成?航天八院专家解密“完美落火”背后风险点

澎湃新闻记者 俞凯 通讯员 谢攀 庞之浩

2021-05-16 10:08 来源:澎湃新闻

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在太空中,两个航天器的对接被形象地称为“太空之吻”,近年来,从神舟八号到神舟十一号、从天宫到天舟,我国航天器在太空上演过一次次令人难忘的交会对接。两器分离的过程可谓“步步惊心” 本文图片均由 中国航天科技集团 供图

两器分离的过程可谓“步步惊心” 本文图片均由 中国航天科技集团 供图

而在5月15日这次具有里程碑意义的“落火”大戏中,令人难忘的却是“两器分离”,它的成功上演,确保了着陆巡视器得以完成后续一连串完美的落轨、下降、悬停、避障、落地动作,在火星表面第一次留下中国印迹。
这次在火星停泊轨道上的“两器分离”是如何完成的?风险点在哪里?降落中又经历了哪些惊心动魄的过程?上海航天八院的专家透露了个中细节。
分离前,“天问一号”火星探测器在周期为两个火星日的停泊轨道上运行,在到达近火点前约6小时,八院抓总研制的环绕器4台120N发动机点火约两分多钟,实施降轨机动,进入火星大气进入轨道,之后转为两器(环绕器、着陆巡视器)分离姿态,并执行两器分离动作。
据八院专家介绍,两器分离经过了“降轨、分离、升轨”三步曲,可谓步步惊心。
首先,“天问一号”要实施降轨机动,环绕器上的发动机点火,降低探测器近火点高度。然后,“天问一号”在距离火星表面约125公里前,实现环绕器和着陆巡视器的分离。两器到达安全距离后,环绕器点火提升轨道至中继轨道,环绕器升轨的同时,实时拍摄监测着陆巡视器的下降过程。接着,着陆巡视器调整姿态,防热大底朝前,沿着进入火星大气的轨道滑行,瞄准进入火星大气层的一个窄窄的进入走廊,着陆巡视器与火星大气层形成的这一夹角非常关键,角度太大会导致与大气摩擦温度升高过于剧烈,角度太小又实现不了进入火星大气层的目标。
专家指出,如果降轨偏差过大,会影响着陆巡视器进入火星大气时进入角、经纬度等参数,最终影响着陆巡视器进入火星大气后的着陆过程,遇到此情况,地面可以终止分离流程;分离有问题,探测器能够自主判断取消分离,继续携带着陆巡视器飞行,等待后续着陆机会;分离成功,但环绕器升轨近火点高度不够,会有进入火星大气坠毁的风险,这些都是两器分离及着陆过程的风险点所在。
着陆巡视器和环绕器分离后,继续沿火星大气进入轨道飞行,分离后再经过3个多小时进入火星大气,依靠气动外形减速、降落伞减速、发动机减速、悬停避障,最终安全着陆在火星表面。环绕器则在分离半小时后进行升轨机动,返回停泊轨道。进入火星大气时,着陆巡视器的速度可达每秒4.8千米,相当于子弹出膛速度的6倍

进入火星大气时,着陆巡视器的速度可达每秒4.8千米,相当于子弹出膛速度的6倍

在着陆巡视器距离火星10公里左右时,打开携带的超音速降落伞

在着陆巡视器距离火星10公里左右时,打开携带的超音速降落伞

据专家介绍,着陆巡视器进入气动减速段是最主要的减速阶段。进入火星大气时,着陆巡视器的速度可达每秒4.8千米,相当于子弹出膛速度的6倍。着陆巡视器进入火星大气后,要进行升力体制导和展开配平翼,以便更好地利用火星大气的阻力,使陆巡视器防热大底和火星大气的不断摩擦来减速。经5分钟的减速之后,着陆巡视器的速度下降到每秒460米,速度降低将近90%。当速度降至100米/秒时,降落伞就基本完成了使命,此后着陆巡视器把大底和背罩抛掉,露出着陆平台和火星车

当速度降至100米/秒时,降落伞就基本完成了使命,此后着陆巡视器把大底和背罩抛掉,露出着陆平台和火星车

在着陆巡视器距离火星10公里左右时,打开携带的超音速降落伞。在降落伞的帮助下,着陆巡视器的速度下降到每秒100米以下。在这1分多钟的时间里,火星大气层中风的速度和方向,对落“火”的精度影响很大,有些时候甚至影响落“火”安全。在距离火星高度100米的时候,借助降落发动机进行悬停

在距离火星高度100米的时候,借助降落发动机进行悬停

当速度降至100米/秒时,降落伞就基本完成了使命,此后着陆巡视器把大底和背罩抛掉,露出着陆平台和火星车。平台上的7500牛变推力降落发动机开始点火工作,进一步减小着陆巡视器的下降速度,它用80秒把速度减小到3.6米/秒,同时保持姿态稳定,对地雷达随机开机,并展开着陆缓冲机构的四条着陆腿。
在距离火星高度100米的时候,借助降落发动机进行悬停,同时对火面进行成像,然后挑选相对平坦的区域进行降落。在最后的落“火”瞬间,利用四条着陆腿里的缓冲吸能材料,把着陆时的冲击力缓冲掉,确保着陆巡视器平稳着陆在火星表面。

在最后的落“火”瞬间,利用四条着陆腿里的缓冲吸能材料,把着陆时的冲击力缓冲掉,确保着陆巡视器平稳着陆在火星表面。

在最后的落“火”瞬间,利用四条着陆腿里的缓冲吸能材料,把着陆时的冲击力缓冲掉,确保着陆巡视器平稳着陆在火星表面。
在整个落“火”过程中,由于地火距离非常遥远,使得地火通信延时单程超过17分钟。在落“火”过程中着陆巡视器和地面“指挥部”处于“失联”状态,它需按照事先制定的预案,自主完成进入、下降和着陆的这一系列极为复杂的动作,不能有半点失误,因为这个过程无法依靠地面进行实时的控制和干预。蝴蝶状的火星车——“祝融号”

蝴蝶状的火星车——“祝融号”

落“火”短短的9分多钟,着实让人惊心动魄,后续,随着火星车展开深蓝色的翅膀,缓缓驶下着陆平台,蝴蝶状的火星车——“祝融号”将带着国人的期望与寄托,在火星这颗红色的星球上展开科学探索。
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责任编辑:李菁
校对:栾梦
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 航天八院,天问落火,火星探测任务

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