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天问一号的“最后一脚”刹车如何踩稳踩准?

京港台:2021-5-15 19:52| 来源:科技日报 | 评论( 6 )  | 我来说几句


天问一号的“最后一脚”刹车如何踩稳踩准?

来源:倍可亲(backchina.com)

  5月15日,“天问一号”着陆巡视器与环绕器实现分离,成功登陆火星

  天问一号任务突破了第二宇宙速度发射、行星际飞行及测控通信、地外行星软着陆等关键技术,实现了我国首次地外行星着陆,是中国航天事业发展中又一具有重大意义的里程碑。火星探测风险高、难度大,探测任务面临行星际空间环境、火星稀薄大气、火面地形地貌等挑战,同时受远距离、长时延的影响,着陆阶段存在环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点。

  怎么在登陆火星时安全着陆?这是个值得好好聊聊的问题。

  

  图源:中国航天科技集团

  探测器要想成功着陆火星需要在短短9分钟时间内将两万多公里时速降为零,其间需要经历气动减速、降落伞减速、动力减速、着陆缓冲等多个环节,任何一个环节失误都意味着登陆失败。经过一系列减速措施,“天问一号”来到距离火星表面约2公里处,以约100米/秒的速度不断接近火星表面。这个速度相当于目前我国高铁的最高运行时速。

  由航天科技集团第六研究院研制的7500N变推力发动机就是最后动力减速环节的主要工具。

  “天问一号”采用的是由液体火箭发动机提供反推力的方式来实施最后的减速,此方法已在嫦娥三、四、五号探测器落月过程中连续三次成功实施,火星着陆巡视器7500N变推力发动机正是落月用变推力发动机的2.0版——为了满足火星探测器安装结构要求和减重需求,并提升发动机性能,研制团队首次在我国开展深空探测的航天器上将推进分系统发动机燃烧(电视剧)室从以往的低室压方案改进为中室压方案,从而保证了相同推力情况下,发动机体积更小、性能更高。加上不断创新和优化生产工艺,有效实现了推进分系统的轻质化需求。

  之所以从1.0升级到2.0,是因为火星表面软着陆的难度升级了。

  首先,火星实在太远了。月球与地球的平均距离为38万千米,而火星与地球的距离在5000万至4亿千米左右,远远超过地月距离。在地球上,最多0.13秒能实现任意两点通讯,地月之间需要2.5秒,但当“天问一号”需要在火星着陆时,火星与地球的距离为3亿千米,完成一次通讯需要30分钟。也就是说,信号还没跑到地球,探测器已经“收工”了。对于身在遥远异乡的小家伙,这一段路得自己操心,每一次推力的变化必须非常迅速、精准,发动机需要很“听话”。

  会不会频繁猛踩刹车,是我们评判一个司机驾驶技术好坏的重要指标之一。同样,为了减少降落过程中对着陆巡视器的冲击,将“乘客”平稳送达,发动机采用了“长距离轻刹车”的技术。在降落过程中,雷达等探测设备会像眼睛一样盯着火星地面,测量巡视器距离地面高度等参数,这些参数进入GNC系统,由这个睿智的“大脑”计算出对发动机的推力要求。发动机会按照预设的时序和实时的指令完成变推力调节,让着陆巡视器慢下来,最后以很低的速度稳稳落在火星表面。

  火星表面软着陆的另一个难点在于,月球表面近似真空,而火星表面有一层稀薄的大气。在降落过程中,着陆器与火星表面的大气会剧烈摩擦,为了防止被“烧糊”,着陆器上增加了一个防热大底,原本可以“伸出去”的发动机被“兜起来”了。有限的舱体空间限制着发动机的尺寸,“天问一号”探测器变推力发动机的高度比“嫦娥三号”探测器变推力发动机要缩小超60%,推力等主要性能指标却保持不变,“小个子”要爆发出“大能量”,这意味着发动机必须更结实。

  去一趟火星不容易,但“天问一号”能携带“乘客”的总重量却是有限的。科研人员从发动机的原理入手,按照任务的需求和特点,对系统参数和总装布局进行了优化,既保证了功能,又增加了一些新技术,应用了一些新材料,发动机没有“长肉”“增肌”,重量还减少了2/3,为其他“乘客”让了让“座”,进一步发扬了变推力发动机高性能、长寿命、高可靠的特点,一举解决了上述问题。

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