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什么是火星探测飞掠环绕降落巡视四大类型任务?

  火星是地球的邻居,但这个邻居并不算"近邻"。数据对比而言,地球赤道一周4万千米,光速仅需0.13秒便可环游。但地球与火星的距离在5500万-4亿千米之间变化,单程都需3-22分钟之久。更何况地球与火星每隔780天才有一次会合机会,会合前几个月的时间窗口适合开展火星探测,单程6-11个月的探测时间。茫茫深空中,失之毫厘,谬以千里,探测器的探索之旅着实不易。人类火星探测进行了60年,所有探测成功率仅一半左右,难度可想而知。
  人类目前有四种火星探测任务示意图,未来在计划突破第五种:采样返回
  根据技术发展过程和任务目标需求,探测火星的任务主要分为四种。
  一、惊鸿一瞥:飞掠任务
  顾名思义,这种任务只是在火星附近飞速掠过,趁着极短的时间抓住一切可能记录有用数据,随后滑入深空。相比动辄数月的深空旅行时间,观测火星的真正有效时间仅在1天左右。
  对于以火星探测为最主要目标的昂贵任务而言,这是非常不理想的设计。然而,人类在60年代开启火星探测时,火箭运输能力不足,探测器自身推进系统能力有限,轨道控制和确定精度不足,很难让探测器制动减速留在环绕火星轨道,实属无奈之举。那时,能实现工程验证目标、得以一瞥火星真容就成为飞掠任务的核心,甚至连这个目标都很难:1960-1964年,苏美开启的火星探测大幕开局就是6次惨烈的失败。
  水手四号和距离火星最近时拍到的火星细节©️NASA
  失败并不可惧,一切总会迎来曙光。1964年11月28日发射的水手4号终于成功,它于1965年7月15日最近距离火星约1万千米飞掠而过。在短暂观测时间内,探测器努力控制住镜头和各种科学仪器对准火星,记录了22张火星图片和磁场、温度、大气等研究数据,随后滑入深空,与火星永远再见。
  随着技术逐渐成熟,以飞掠为目标的火星探测任务逐渐消失,但也有一些探测地球外侧星体的任务"兼职"飞掠探测火星。例如探测彗星的罗塞塔号、探测小行星带的黎明号都曾飞掠火星,2018年发射的洞察号着陆器也带了两颗微小卫星飞掠火星。
  二、登高望远:环绕任务
  随着探测器技术的进步,靠近火星后已经可以依靠自身动力制动进入环绕火星的大椭圆轨道。如果推进能力更强、或者借助火星顶部稀薄大气缓慢"大气刹车",甚至可以直接变轨成圆形轨道,保持稳定的轨道高度更有效观测火星。
  由于环绕器(轨道器)能够长期环绕火星,登高望远,能采集海量的数据,全方位研究火星的磁场、大气层、重力场、水、浅层土壤等方面,极大丰富了人类对火星的认知。此外,环绕器还能起到至关重要的信号中继作用,服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。其中一个著名的任务是2001年发射的奥德赛号,它已经工作了19年,且这个数据还在不断延长!
  火星奥德赛号©️NASA
  三、观天测地:降落任务
  降落(软着陆)任务的最大优势是能仔细研究火星表面的各种细节,尤其是对水、气象、底部大气、土壤成分、地表地貌、潜在有机物和深层土壤的研究。但需要说明的是,由于重量和能量限制,着陆器自身不可能携带巨大的天线与地球直接联络,它仅能将所有信息发给火星上空的环绕器,让后者代为转发。著名任务如2018年发射的洞察者号,它可以深入火星内部数米,研究火星内部热流和地震等。
  洞察者号着陆器©️NASA
  火星降落是人类航天的天顶科技之一,最典型特点是着陆系统需要完全自主导航控制完成着陆之旅。标准的火星着陆过程持续时间仅7分钟左右,远不够完成一次地火通讯,这意味着全程多个复杂的动作,例如剧烈冲击下姿态控制、超声速下打开降落伞、抛隔热大底、降落伞和支撑结构脱离、反推火箭工作、悬停避障、减速软着陆等必须依靠着陆器自主完成,对软件和硬件的要求极高。
  四、自由移动:巡视任务
  巡视器又名火星车,它相比不能移动的着陆器而言,最大优势在于可以随处移动,意义不言而喻。由于不带有固定着陆器必须携带的推进剂储罐、着陆腿、支撑结构、控制机构等复杂部分,巡视器可以集中于科研载荷,从事多地点多方面的精细研究。
  因此,火星车是近些年火星探测的核心,复杂程度越来越高,待机工作时间也越来越长。一些著名的任务,例如勇气号、机遇号火星车使用太阳能电池板实现了远超预期90天的工作时间。昂贵的好奇号火星车花费超过25亿美元,它采用了放射性同位素电机(又名核电池)为主要动力,可以全天候工作,且超能长待机,着陆火星8年后至今仍在火星工作。
  好奇号火星车在火星的自拍,为视觉效果机械臂已经抹去©️NASA
  (本文已首发国家航天局官网)

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