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中国“天问一号”成功着陆火星 与美国火星车技术差异大


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中国“天问一号”成功着陆火星 与美国火星车技术差异大

文章来源: 澳大利亚广播公司ABC中文  2021-05-18 0826 - 新闻取自各大新闻媒体,新闻内容并不代表本网立场!
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继美国火星探测器火星车率先于今年2月登陆火星后,中国“天问一号”火星探测器着陆巡视器于5月15日成功登陆火星乌托邦平原南部,使中国成为第二个成功登陆火星的国家。

截至目前,“祝融”号在火星上有两个可以自行移动的同伴——美国的“毅力”号与“好奇”号火星车。此外,还有一个没有“腿”、不能跑的同伴——美国“洞察”(InSight)号火星探测器。

“洞察”号的任务是在火星地表打洞,用钻头在火星上钻出孔洞考察这颗红色行星内部的热状态,了解火星的地质活动。

自1976年以来,先后有9个探测器成功登陆火星并执行探测任务,这些探测器均由美国航空航天局(NASA)研制发射。苏联在1971发射了两个火星探测器,试图着陆火星,但一个坠毁,另一个虽然登陆火星,但只工作了14秒就突然失联。

“天问一号”的着陆巡视器登陆火星后,中国国家主席习近平表示,这次成功着陆“实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹”。

北京大学地球与空间科学学院教授焦维新接受俄罗斯卫星通讯社采访时也表示,这次着陆“是中国科学技术的一个重大成就”,并认为未来并不会出现争夺火星资源的情况。

尽管中国政府和专家一再表示要和平利用太空,不想与美国竞争。但是,由于担心中国会获得美国的技术并将其应用于军事用途,美国于2011年禁止在太空领域与中国合作。

中国当局称天问一号搭载的“祝融”号火星车将很快实现火星漫步。但实际上,尽管美国火星探测器抵达火星轨道的时间晚于中国的“天问一号”,它的火星车“毅力”号却比中国的“祝融”号提前三个月着陆。

那么,中美两国的火星车在技术和表现上有哪些差别?ABC中文的这篇报道将带您一探究竟。

“体重”悬殊

美国的火星探测器则没有名字,主要组成部分是控制着陆的“空中吊车”(Sky Crane) 系统和“毅力”号火星车。

中国“天问一号”的结构是“两件套”组合,它由负责观测和中继通信的环绕器与着陆巡视器组成,后者包含着陆平台与“祝融”号火星车。

从外形尺寸看,“毅力”号火星车与“祝融”号火星车差异不大,长度像是小型家用汽车,宽度和高度类似一辆小型越野房车。但两者的质量却差别较大,美国火星车的质量为1吨多重,中国火星车却只有240公斤,仿佛家用轿车和摩托车的区别。

美国的火星探测系统没有携带需要大量燃料的环绕器,其四吨多的发射质量少于五吨左右的“天问一号”,因此火星车可以设计得更加精密复杂。“毅力”号上还携带了人类第一架在火星飞行的迷你太阳能直升机“机智”(Ingenuity)号。

至于“天问一号”,发射质量虽大,但有约一半的“体重”都是燃料,无法搭载类似于“毅力”号的装备。

登陆方式大不同

目前的火星车所采用的登陆方式分为三种,分别包括气囊降落式、“空中吊车”式和反推悬停式。

早期的火星车一般采取气囊降落式,即将火星车折叠后包在气囊中,当探测器着陆平台进入火星大气层,气囊会自动充气,着陆平台会在接近火星地表时像抛球一样将气囊抛掉。

随后,气囊会像乒乓球一样,弹起、落下、再弹起、再落下,直到气囊泄气。然后火星车才从破损的气囊中“千呼万唤”驶出来。

质量较轻的小型火星车,例如2004年登陆的美国“勇气”号(Spirit)采用的就是这种方式着陆方式。当时的着陆过程“简单粗暴”,仿佛将一个皮球扔到了火星地面。

“空中吊车”式着陆方案适合大型、精密的火星车,比如2012年8月登陆的“好奇”号和今年2月的“毅力”号。

这种方式允许着陆平台在脱离降落伞后坠向火星地表,利用反堆动力缓缓将火星车放到地面,之后飞到安全区域坠毁。这种方案对地表的要求不高,但技术难度大。对大型、精密的火星车来说是最可行的方案。

而中国的“祝融”号采用了目前应用最广的反推悬停式着陆方案。事实上,完成中国登月探测任务的“嫦娥”系列探测器,连同美国在1975年着陆的“海盗”号火星探测器都采用了这种方式。

携带火星车的着陆平台在接近地面时会启动反推系统,让平台慢慢降落。距地表数米时,反推系统关闭,平台通过伸出几条带有缓冲设计的“着陆腿”实现软着陆。

这种方案的技术安全性高,但对地形的要求较高,着陆瞬间的轻微冲击会对精密仪器产生一定影响。

“暖宝宝”与“防寒服”

“祝融”号与“毅力”号的另一个巨大差异在于动力源的不同——中国火星车依靠太阳能,而美国火星车采用的是核能。

可靠的动力源对火星车及月球车来说至关重要。除了火星车的移动需要动力,仪器设备维持正常运作和抵御严寒亦需要动力源转换出来的热能。

“毅力”号是继美国“好奇”号后的第二辆核动力火星车,车体上看不到太阳能电池板。“毅力”号配备了与“好奇”号一样的核电池(全称为多任务放射性同位素热电发生器,MMRTG)。

这种核电池的设计用途就是在火星这样拥有大气层的行星,或者在真空的太空环境中使用。简单来说,“毅力”号配备的核电池不但提供了动力,还是一个能够可靠发热的“暖宝宝”——它为火星车和配套仪器提供热能,防止它在严寒时停止运作。

相比之下,以太阳能作为动力源的“祝融”号则主要靠“防寒服”—— 纳米气凝胶保温材料来防止热量散失和保温隔热。

据中国官媒央广网报导,这种纳米气凝胶非常轻,而且隔温性能好,可以将1000℃以上的高温阻隔到可接受的温度范围。在这种物质的性能演示图片中可以看到,鲜花上压了一块砖头大小的纳米气凝胶,但花瓣并未变形。

目前来看,核能是更为理想的动力源,因为无需担心太阳能电池板因光照不足而丧失动力,继而造成仪器停止运作,甚至因低温而面临报废。

“祝融”为何姗姗来迟?

值得注意的是,“天问一号”今年二月就进入火星轨道,环绕火星飞行,但时隔三个月才让“祝融”号火星车登陆。而美国的“毅力”号在进入火星轨道后不久即实现了登陆。

按照官媒中央电视台的解释,这是由于中国首次进行火星登陆,因此需要更多的时间让“天问一号”的环绕器完成观察、分析等任务,时机成熟后才能登陆。

中国科学家表示,他们并不了解火星表面的实际环境,必须全面确认着陆区的状况。“天问一号”花了三个月调整轨道,环绕器部分利用其携带的仪器和不同分辨率的相机考察火星地形,拍摄高清照片,对预选着陆区进行详查和分析。

环绕器与着陆巡视器分离后便重返环火星轨道,负责控制中心与“祝融”号之间的中继通信。按照计划,“祝融”号在大约90个火星日(一个火星日为24.6小时)后会结束巡视探测工作。这时,环绕器便会调整飞行轨道,对火星表面实施长达一个火星年(687个地球日)的近距离遥感探测。

为何“祝融”的设计寿命为何只有三个月?

根据中国媒体的报道,花费巨大代价才登陆火星的“祝融”号火星车的设计寿命只有三个月。而美国的 “机遇”号(Opportunity)在火星上活动了14.3年后寿终正寝。

2012年登陆火星的美国“好奇”号也在近九年后依然勤恳作业。

中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥接受央视采访时说,“祝融”号的设计人员没打算让它超期工作,其次,“天问一号”的环绕器能力有限,无法长期为火星车服务,因此其使用寿命较短。

据了解,“祝融”号火星车登陆的地点是火星表面最大的平原——乌托邦平原。这辆火星车的雷达能够检测到火星地表下100米的状况,可以一边行驶一边检测火星上是否存在水冰。在三个月的设计寿命内,“祝融”号要对火星的地表、地面、地下以及天气状况进行全方位的考察。

事实上,几乎所有火星车的设计寿命都远远短于实际工作年限。比如火星车中的“寿星”——“机遇”号的设计寿命就只有90个火星日(92个地球日),但其实际运作时长是设计寿命的59倍。

欧洲航天局(ESA)计划与俄罗斯航天局(RKA)在2022年合作发射携带火星车的ExoMars火星探测器。届时,火星车会穿越火星表面寻找可能的生命迹象,用钻头采集样本进行研究分析。

原文链接: https://www.abc.net.au/chinese/2021-05-18/what-to-know-about-tianwen-1-mars-probe/100146176?utm_medium=social&utm_content=sf245990574&utm_campaign=abc_chinese&utm_source=t.co&sf245990574=1


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