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火星探测器或2020年发射 青科大参与研究

2016年03月22日 00:00 dzh 点击:[]

314日欧洲航天局和俄罗斯联邦航天署联合研制的“ExoMars 2016”火星探测器,搭乘俄罗斯研制的“质子”号火箭发射升空,标志着“火星太空生物”合作项目的启动,火星探测再次成为世人瞩目的焦点。近日,嫦娥一号卫星系统总指挥兼总设计师叶培建透露,目前我国已基本具备火星探测能力,有可能在2020年发射火星探测器。记者了解到,作为国家首个深空探测的973计划研究由国内10家科研单位共同承担,青岛科技大学作为我省唯一一家单位位列其中。青岛科技大学研究的课题,就是确保未来的星际探测器能够精确、安全地着陆。

我国或于2021年登陆火星

“我国通过探月工程的实施,积累了深空探测的能力和人才队伍,目前已基本具备火星探测能力。”近日,航天专家叶培建接受记者采访时曾表示,我国有可能在2020年发射火星探测器,次年到达火星。“在中国之前,美、苏、欧、印都有成功的火星项目。尽管我们不是第一个实现火星探测的亚洲国家,但我们的起点和水平很高。与印度的‘曼加里安’号探测器只是绕火星赤道轨道飞行、只能看到火星‘腰带’不同,中国第一个火星探测器将绕火星飞行,并对火星进行全球探测。此后,进入器载着巡视器着陆火星,巡视器将在火星‘走起来’。”叶培建表示,对火星和小行星的探测,对探索宇宙奥秘,认识宇宙大爆炸,寻找地外人类宜居环境等有非常重要的意义。

“地球到月球约40万公里,到火星最远约4亿公里。目前,我们已经突破了4亿公里通信问题。最大的难点是着陆火星。火星轨道是第二宇宙速度,再加上火星上有沙尘暴等不利条件,落火星比落月球难度大得多。”叶培建说,“距离发射仅剩五年,时间很紧,但是我们很有信心,我们的团队是2013年实现中国探月工程完美落月的嫦娥三号团队。目前,包括通讯、着陆以及针对火星极端环境的各项技术都在进行准备。”

深空探测青科大占一份

在青岛科技大学老校一栋不起眼的小楼里,有一个自主导航与智能控制研究所,研究所承担的工作就是确保探测器在着陆过程中自主导航的一部分。自主导航与智能控制研究所所长于镭,是“973计划深空探测研究”青科大的负责人。

据于镭教授介绍,国家973计划项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”由北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、清华大学等10家单位共同承担,其中青岛科技大学是我省唯一一所参与深空探测的单位。该项目是针对我国在 “载人航天与探月工程”科技重大专项实施后所面临的行星着陆探测技术需求,面向国家深空探测发展规划的火星和小行星探测科技重大工程,推动解决深空探测领域自主导航与制导控制中关键基础问题的项目,也是我国深空探测领域首个973计划研究项目。

“黑色七分钟”考验火星着陆

“与探月工程相比,探测器飞往火星面临更多的问题,其中能量和着陆是科学家面临的两大重要问题。”于镭教授告诉记者,飞行器长期工作,距离太阳越远,太阳光越弱,飞到火星的话太阳能电池的效率会很低,而靠其他星球引力提供能量又会耗费更多的时间。探测器抵达火星后,着陆实时自主导航与控制又是一个难题。火星探测器从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,被专家们称为“黑色七分钟”。在近地对接时探测器通常可以实现实时监控操作,但是到火星那么遥远的地方,光传播过去至少需要8分钟,这意味着探测器从火星发回的信息都是8分钟之前的,指令发出后再需要至少8分钟传输给探测器接收,往来就需要至少16分钟,已远远超出探测器着陆所需的 “黑色七分钟”。这么长的时间,探测器可能已经失去控制,撞毁到火星表面上了。因此探测器必须具有自主导航、控制和障碍规避的能力,飞行器才不会撞到火星表面。

着陆必须一次成功

“为了使探测器安全着陆,探测器在接触火星表面时需要将速度接近为零。但在深空中探测器飞行速度很快,如果着落不当就会和星球表面撞上。火星表面环境到底是什么样,没有人去过。火星探测器出发前,科学家通过研究天文观测和之前火星观测传回的照片,分析确定了大致的一片降落区域。但由于火星表面的复杂性和不确定性,探测器安全降落需要通过自主导航与智能控制才能够完成。”于镭教授告诉记者,目前,研究所研究的课题主要包括对星球表面环境特征的提取、跟踪和导航算法的设计,而火星表面气候变化多端,星表形态多种多样等,对探测器如何精确着陆是极大的考验。一次探测需要耗费很多的人力财力,着陆过程的一个小石子也不容忽视,都可能影响到整个任务的成败。这不同于路面设备的测试,深空探测事先无法进行实地测试,只能尽可能地模拟着陆过程,而且必须一次成功。

“通俗地讲我们研究的是探测器的软件。”于镭教授介绍说,探测器上面有处理器,里面运行着多种程序。当着陆器的防热罩抛掉后,处理器开始运行着陆程序,在下降着陆段探测器利用光学相机对火星表面进行拍照以获取火星表面的瞬时图像,并通过程序运算识别火星地面特征。探测器根据这些特征作为导航陆标,对自己的位置、速度、姿态进行估计,从而避开大的石头、陨石坑,选择平坦的地面降落。随着探测器高度下降,光学相机拍到的影像清晰度增加,探测器进而能够识别更小的石块,从而进行标记和规避,最终寻找到最完美的降落地。就像驾驶员开车需要看交通指示牌一样,才能够知道自己在哪,否则就可能迷路,到不了目的地。这些看起来比较简单的工作,让探测器自己完成实际上非常复杂,必须让探测器有足够的智能性,成为一个具有自主识别、自主导航、自主控制能力的智能机器人,才能保证探测器的精确着陆。

为什么要探测火星

人类自1960年以来已发射了四十余个火星探测器,实现了飞越火星、环绕火星探测、着陆器与火星车探测等多种探测方式,科学家为何如此热衷于火星探测?

据悉,作为太阳系中表面环境与地球最相似的天体,火星探测一直是深空探测的重要目标。通过火星探测,有助于研究太阳系的形成、演化及生命的起源;有利于揭示其它天体对地球可能存在的影响;有助于发现可为人类利用的能源和资源。同时,火星表面精确着陆与采样返回技术也为未来的载人火星探测提供经验基础及技术验证,实现火星的载人飞行探测被认为是21世纪上半叶行星际探测的终极目标。科学家认为,火星上可能存有生命和液态水,寻找生命和水就成为世界科学家一个巨大的梦想。如果火星上有生命和水,它可能就是适合人类居住的另一颗行星,人类也就有可能向火星移民,开辟新的生存空间。

中国月球探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远表示,目前科学家们已多次召开“改造火星”的研讨会,严肃探讨了将火星改造成“蓝色行星”的可能性,提出了改造愿景、科学步骤和实施方案。大多数研究行星科学和深空探测的科学家坚信,通过人类的智慧和努力,火星完全能被改造成生机盎然的“小地球”,再现“青山绿水”,成为人类的“第二家园”。可以说,火星是地外行星中“最耀眼的明星”,无论从探测次数还是认知程度来说,都是人类当之无愧的“宠儿”。

火星探测大事记

1962年苏联火星1号探测火星,在飞离地球1亿公里时与地面失去联系,从此下落不明,它被看作是人类火星探测的开端。

1964年 美国发射 “水手4号”,是世界上第一枚成功飞临火星并发回数据的探测器,传回了世界上第一张地球外其他行星的近距离特写照片。

1971年美国发射“水手9号”,是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器,首次拍摄到火星全貌。

1971年苏联发射“火星3号”,它的着陆器成为首个在火星表面着陆的探测器。

1975年美国发射“海盗1号”,翌年成功着陆,并向地球发回照片。其兄弟“海盗2号”发现火星土壤中存在化学活动。

1997年 美国首次将火星车“索杰纳号”送上火星。

2001年美国发射“奥德赛号”,发现火星上存在大量水冰,验证了科学家之前“火星上有水”的猜想。

2003年 欧洲发射火星探测器“火星快车”,成果颇丰。

2003年 美国发射“机遇号”,是目前在火星表面存留时间最长的探测器。

2008年 美国“凤凰号”探测器成功登陆火星,后失去联系。

2012年 美国宇航局首辆核动力火星车“好奇号”在火星成功着陆。

2013年印度发射首颗火星探测器“曼加里安号”火星探测器,次年“曼加里安号”火星车成功进入火星轨道,印度成为全球第四个成功进行火星探测的国家。

2016年欧洲航天局和俄罗斯联邦航天署联合研制的“ExoMars2016”火星探测器发射升空,预计于今年10月抵达火星。

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