登陆火星:如何克服“黑色七分钟”?

从月球到火星是探测太阳系的科学路径和主要方向 。 探月工程之后,火星探测将成为我国未来深空探测的重点 。 不过,这是一项极具挑战的任务 。 特别是,火星着陆过程中,着陆器高速进入火星大气,在通过大气阻力实现减速并安全着陆的过程中,需要经历技术难度最大、失败概率最高的“黑色七分钟” 。 那么,怎样才能实现在火星表面的安全着陆呢?

登陆火星:如何克服“黑色七分钟”?

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人类飞向火星
由于航天飞行能力的约束,在可以预见的将来,人类还无法飞出太阳系 。 而在太阳系内,只有火星的自然环境与地球最相似,是太阳系中唯一经改造后适合人类长期居住的天体,也是人类移居外星球的首选目标 。
毫无疑问,人类探索火星的道路将充满挑战,但这种挑战和冒险精神,才是人类社会蓬勃发展的原生动力 。 从深空探测的发展战略分析,不管是载人重返月球还是载人登陆小行星,最终瞄准的目标都是载人登火星,只是实现途径不同而已 。 载人登陆后,人类将朝着建立火星前哨站、改造火星环境、火星移民的长远目标逐步迈进 。
由于地球和火星都是运动的天体,所以从地球出发的火星探测器并非任何时候都可以发射,而是每隔2年零2个月(780天)才有一次发射机会,这样的发射机会称为“发射窗口” 。 也就是说,火星探测器的“发射窗口”每隔26个月才会打开一次 。 这是因为每隔780天,太阳、地球、火星就会排列成一条直线,这被称为火星冲,此时是发射火星探测器的好机会 。 更进一步,如果发生火星冲的时候,火星正好处于离太阳最近的位置(近日点),这时火星与地球的距离也最近,称为火星大冲 。
火星大冲每隔15~17年才会发生一次,所以每到这个难得的时机,往往就成为各国竞相开展火星探测的丰年 。 上一次火星大冲出现在2003年8月23日,当时火星距离地球5575万公里 。 这一年的6月2日,欧洲发射“火星快车号”环绕探测器和“猎兔犬2号”火星车,6月10日美国发射“勇气号”火星车,7月7日美国再次发射“机遇号”火星车 。 下一次火星大冲将在2018年7月出现,届时火星距离地球5759万公里 。 三年后,我们就将看到另一场火星探测的盛宴 。
20年后的2035年9月,是另一个火星大冲,届时火星距离地球5691万公里,人类航天史上继阿波罗登月之后最伟大的时刻可能上演 。 基于对航天技术能力和火星探测战略的认识,我们预测:人类有望在未来20年左右首次登陆火星表面 。 如果2035年没能实现载人登陆火星的话,下一次机会就只能等到2050年了 。
黑色七分钟
火星探测的方式主要包括遥感探测和着陆探测两种 。 遥感探测主要通过轨道器实现,目的是对火星表面开展全球性遥感;着陆和巡视探测主要通过着陆器和火星车来实现,目的是对火星表面重点地区开展定点精细探测,并寻找火星曾经或现在存在生命的证据 。
轨道器飞行在火星大气层之外,技术上相对容易一些 。 而如果是火星车或着陆器,则需要穿过火星大气层才能“踏”上火星表面,这期间需要经历惊心动魄、生死攸关的一幕 。
探测器从130多公里的高空进入火星大气,时速高达21000公里(每秒5.9公里),要在短短七分钟的时间内,让探测器的速度降至零,从而实现安全着陆 。 这也是所有火星探测任务中技术难度最大、失败概率最高的关键时刻,被称为“黑色七分钟” 。
上世纪六七十年代,前苏联对火星探测很有热情,发射了世界上第一个火星探测器,并在每个发射窗口几乎都会发射3~4颗火星探测器,雄心勃勃地希望在火星探测上占据领先地位,但失败接二连三,严重地打击了自信心 。 在前苏联(包含俄罗斯)已经发射的17颗火星探测器中,只有3颗算是基本成功,其中有1颗还是部分成功(成功着陆,但没有获得有意义的成果),整体成功率不足18% 。

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