天問一號將擇機著陸,它為什麼要“墨跡”3個月?
2021年05月14日10:00

  本文轉自中國科普博覽 

  2021年2月10日19時52分,經過6個半月的飛行之後,我國首顆自主發射的火星探測器天問一號順利完成“刹車”減速(近火製動),進入環火星軌道,成為我國首顆人造火星衛星。

  天問一號飛向火星途中的自拍照|航天科技集團

  幾天后,同在一個火星窗口發射的NASA毅力號也在2021年2月18日抵達火星。兩個探測器都攜帶了火星車。

  (左)中國祝融號火星車1:1模型 | 人民畫報 (右)NASA毅力號火星車和機智號無人機CG模型 | NASA

  不同的是,毅力號火星車在抵達火星當天就直接著陸了,而天問一號則計劃先繞火星飛上3個多月,即將於近日擇機著陸,並分離火星車“祝融號”。

  天問一號為什麼會多等三個月呢?

  Part.1

  組成分工有不同

  天問一號由環繞器、著陸平台和火星車三件套組成,環繞器進入環火星軌道之後可以一直帶著著陸平台和火星車飛行(兩個合稱為著陸巡視組合體,都塞在氣動外罩裡面),有充足的時間來選擇合適的著陸時機。

  天問一號三件套|CNSA

  而NASA的毅力號沒有環繞器,用的是一個巡航級帶著氣動外罩(裡面塞著火星車)飛往火星,也沒有進入環火星軌道的設計。等飛到了火星附近,巡航級一扔,無枝可依的氣動外罩只能立刻紮進火星大氣層開始著陸,沒法等待。

  NASA毅力號組件|NASA

  倒也不是說毅力號不需要環繞器,主要是NASA正在工作的火星環繞器就有好幾艘,既能完成各種火星在軌科學探測,也足夠給火星車做通訊中繼,所以這次不帶也沒關係。

  NASA目前在軌工作的火星探測器|NASA

  而天問一號是我國第一個自主的火星任務,在火星沒有“接應”,當然要自己多帶點裝備了。自給自足,自力更生!

  天問一號實物照|CNSA

  Part.2

  考察地形要工夫

  入軌之後的天問一號可真的沒閑著。相信我,這都是為了祝融號的安全,磨刀不誤砍柴工啊。

  它先是花了半個月時間多次調整軌道,讓自己“觀察”火星時的距離更近一些,視角更好一些;然後是仔仔細細考察火星地形,拍攝高清照片,為火星車考察著陸區地形。

  2021年2月10-24日,天問一號共完成了三次近火製動(降軌)和一次遠火點平面機動(側手翻),順利進入週期2個火星日的火星停泊軌道 | CNSA

  這時候你可能要問了,這不對吧,為什麼別的火星環繞器已經拍攝了海量照片,天問一號還要花時間自己拍照探測地形、確認著陸區呢?這是因為,照片和照片,也不一樣。

  在拍攝距離相同的情況下,探測器解像度低的相機可以一次拍攝很大一片區域(或者說圖幅更寬),而解像度高的相機拍攝只能拍攝很小一片區域。解像度和覆蓋率,是探測器拍照永恒的矛盾。

  以目前拍攝火星的主力探測器,NASA的火星勘測軌道飛行器(MRO)為例,MRO探測器有兩個相機:在300公里高處,中解像度相機CTX可以拍攝6米/像素的火星照片,每張照片能囊括火星表面30公里寬的區域;而高解像度相機HiRISE可以拍攝高達約0.5米/像素的高清照片,每張照片只能拍出6公里寬的區域。

  MRO探測器的兩個相機|NASA

  結果就是,饒是MRO這樣從2006年就開始工作,至今已經兢兢業業給火星拍了15年照片的勞模,也只有中解像度的CTX影像幾乎覆蓋火星全球,而高解像度的HiRISE影像才只覆蓋了零星一些地方。一言以蔽之,對火星來說,現有的米級高解像度影像覆蓋量還是太少了,只能優先滿足想要重點考察的地區。

  毅力號著陸之前,NASA已經花費很長時間為備選著陸區積累高解像度影像數據(詳見:NASA毅力號成功著陸火星!它會在哪裡尋找火星生命?https://mp.weixin.qq.com/s/DbyNr2-TvkEn5W6FLb5EVA),也就是說,毅力號在出發之前就已經手握一份著陸區高清地圖了。

  而天問一號呢?天問一號計劃在火星烏托邦平原里尋找著陸區,但這麼大一片平原里隨便拎出來一塊地兒,HiRISE影像的覆蓋範圍是這樣的。我們要是想去現有的火星高解像度影像數據庫沒覆蓋到的地方,或者雖然已經有影像覆蓋,但照片還不夠多,成像質量不夠滿意的地方,就還是得靠自己拍呀。

  烏托邦平原中一片區域的HiRISE影像(藍色)覆蓋情況,注意每張HiRISE影像寬度6公里 | MRO

  這是天問一號今年3月傳回的兩張高解像度相機拍攝的影像,解像度0.7米/像素(@ 330-350公里高度),能看出大量地形地貌細節。與周圍已有的HiRISE影像相比,天問一號高分相機的成像質量相當,完全能夠滿足為火星車考察著陸區的需要。

  天問一號高分相機傳回影像(紅框)vs 目前最高清的火星HiRISE影像,空白處是目前尚無HiRISE影像的區域 | CNSA/HiRISE/haibaraemily

  Part.3

  靜候“天機”觀氣象

  安全著陸火星,除了要選擇地形平坦無障礙的著陸區,還要選擇合適的“天機”,因為火星的沙塵暴吧,還真挺要命的。

  1971年蘇聯火星2號和火星3號抵達火星時,就好巧不巧正趕上火星全球性的沙塵暴。結果不僅環繞器沒拍到什麼東西,釋放的兩組著陸器和火星車最終也沒能順利展開工作。

  火星3號攜帶的火星車,下落不明|SpaceLin

  尤其是對祝融號這樣使用太陽能供電的火星車,更是得比用核電池的毅力號更加謹慎一些才行。畢竟沙塵暴阻擋的太陽光,可是祝融號的生命之源。

  2018年6月(火星當年的北半球秋冬之際),火星經曆了一場全球性的大型沙塵暴,使用核電池的好奇號火星車平安挺過,使用太陽能的機遇號火星車不幸結束任務。

  (上)2018年6月,好奇號拍攝的火星沙塵暴景象;(下)機遇號和好奇號火星車 | NASA

  如何儘可能減少沙塵暴的影響?惹不起,躲得起啊。

  1)一方面是總結過去的火星氣象數據,尋找歷史上沙塵暴低發的時期。

  這是1996年到2013年(即火星年23-31)間,火星全球探勘者號(MGS)和火星勘測軌道飛行器(MRO)兩個環繞器觀測的沙塵暴記錄。可以看到火星的沙塵活動集中在下半年,北半球在春夏期間最為寧靜。從春分到夏至正中間開始的6個地球月裡,北半球歷史上沒有發生過沙塵暴。

  1996年到2013年(即火星年23-31)間,火星環繞器觀測記錄的沙塵暴。注意,起源於北半球的沙塵暴也可能發展到南半球範圍,反之亦然 | 改編自:參考文獻 [1]

  今年這個火星年(2021-2022年,一個火星年約等於2個地球年),北半球的春分發生在2021年2月7日,夏至發生在2021年8月25日,兩個時間點中間,就是5月中旬了。對於計劃著陸在火星北半球烏托邦平原的祝融號來說,等到5月中下旬再降落,最為穩妥。

  2)另一方面就是利用現有的火星探測器遙感數據(主要是亮溫和陽光透射率數據)和著陸區的實際位置、地形情況,對計劃著陸區做氣象預報。提前避開大的沙塵暴,尋找將來哪個時間段氣候更宜降落。當然,這種基於遙感數據的預報只是模型和統計結果,並不是確定性預報,無法精確到火星某個地點幾點幾分一定有什麼氣象變化。

  這是毅力號項目組針對位於北半球的傑澤羅撞擊坑區域(毅力號著陸區)春分時期所做的氣象預報,內容包括表面氣壓、表面溫度、大氣溫度、風速、風向、大氣密度等多個方面。這些都是毅力號判斷著陸時機的參考。(毅力號著陸於2021年2月18日,春分剛過)

  紅圈為毅力號著陸區所在位置|參考資料[2]

  而對於祝融號的著陸時機,我國的行星科學家們也在做詳盡的氣象預報工作,大家靜候佳音。

  不過值得一提的是,太陽能供電的火星車未必沒有核電池供電的火星車健康長壽。機遇號在火星上馳騁探測了14年,至今保持著最長壽的火星車紀錄,相比之下,工作了8年多的好奇號已經傷痕纍纍,打破機遇號紀錄應該是無望了。

  Part.4

  高軌低軌多面手

  那除了勘測地形,等候天機,咱們天問一號環繞器這三個月就白等著?那不會的。早在今年2月24日,天問一號進入火星停泊軌道之後,環繞器上的7台科學儀器就已經全部開機,開始科學探測了。

  天問一號環繞器上的7台科學儀器位置(天線展開狀態未顯示)

  天問一號整個任務期間會多次改變軌道。最近這三個月的地形考察期所在的“火星停泊軌道”是一個近火點280公里、遠火點5.9萬公里、週期2個火星日的極軌道。

  分離著陸巡視組合體之後,環繞器會降低軌道,進入一個近火點265公里、遠火點12500公里,週期8個小時的“通訊中繼軌道”,為火星車傳輸訊息 [3]。

  待到祝融號完整計劃的90個火星日探測之後,天問一號還會再次降低軌道,進入一個近火點265公里、遠火點12000公里的“科學探測軌道”,對火星表面進行至少一個火星年(約2個地球年)的近距離全球探測 [3],同時也可以兼顧火星車的通訊中繼 [4]。

  也就是說,天問一號環繞器能在不同階段探測到火星不同軌道高度上的科學信息,相當於一個探測器不僅同時擔任了通訊衛星和科學衛星,還同時擔任了火星高軌衛星和低軌衛星等多個職務。不同軌道高度處的探測數據相結合,可以幫助我們更全面地瞭解火星的空間環境信息,例如火星的磁場、電離層、太陽風與火星高層大氣/電離層之間的相互作用等等。

  火星沒有地球、水星那樣內部自發的偶極磁場,因此當太陽風吹向火星時,大部分行星際磁場會直接“掛”在火星上。不過火星的殼層還有一些剩磁,這讓太陽風與火星磁場的相互作用變得更加複雜了一點。

  黃線代表掛在火星上的太陽風所攜帶的行星際磁場(IMF)的磁力線,藍線代表火星自己的閉合磁力線,日側的白色亮點是火星賸餘磁場和IMF之間發生的磁場重聯,紅線代表磁場重聯後連接火星和太陽風的開放磁力線 | AnilRao/Univ。 of Colorado/MAVEN/NASA GSFC

  通過對不同空間位置的火星磁場、離子與中性粒子、能量粒子等方面的探測,可以幫助我們瞭解火星磁場的演化、太陽風與火星高層大氣/電離層之間的相互作用、火星大氣的散逸變遷等諸多謎團。

  NASA目前在軌工作的MAVEN探測器,也在做相關的科學探測,不過MAVEN的工作軌道在近火點約150公里,遠火點在約4500-6000公里高度,與天問一號計劃的高度不同。這在科學探測上是好事,因為兩者的結果可以互為補充。

  還記得2018年發射的水星探測器貝皮科隆博號(BepiColombo)嗎?這個任務一次發射了兩顆水星探測器(MPO和MMO),再加上2011-15年間探測水星的信使號(MESSENGER),不同的軌道高度的三個探測器的探測結果,可以幫助我們更全面地認識水星的磁場環境。

  NASA信使號探測器和歐空局貝皮科隆博號的兩個子探測器MMO和MPO的探測軌道 | 馬普所

  這麼看來,天問一號一個環繞器就能觀測到多個軌道高度的科學數據,是不是非常有效率?

  天問一號的多次變軌|改編自:參考文獻[5]

  Part.5

  一點總結

  總結一下呢:

  考察著陸區地形需要花一些時間,

  最穩妥寧靜適合降落的氣象條件需要等到5月中旬,

  而且等待期間的天問一號還可以在停泊軌道完成獨特的科學觀測。

  這三個月不僅不能省,而且還非常充實呢。

  接下來就是萬事俱備,期待祝融號著陸的好消息啦!

  參考文獻:

  [1] Wang, H。, & Richardson, M。 I。 (2015)。 The origin,evolution, and trajectory of large dust storms on Mars during Mars years24–30(1999–2011)。 Icarus, 251, 112-127。

  [2]Newman, C。 E。, De La Torre Juarez, M。, Pla-García, J。, Wilson, R。 J。, Lewis, S。 R。, Neary, L。, 。。。 &Rodriguez-Manfredi, J。 A。 (2021)。 Multi-model Meteorological and AeolianPredictions for Mars 2020 and the Jezero Crater Region。 Space sciencereviews, 217(1), 1-68。

  [3]Zou, Y。, Zhu, Y。, Bai, Y。, Wang, L。, Jia, Y。, Shen, W。, 。。。 & Peng, Y。(2021)。 Scientific objectives and payloads of Tianwen-1, China’s first Mars exploration mission。 Advances inSpace Research, 67(2), 812-823。

  [4]我們的太空 | [技術·航天]中國首次火星探測任務“天問一號”的長征路。。。

  https://zhuanlan.zhihu.com/p/164443325

  [5] YeP J, Sun Z Z, Rao W, et al。 Mission overview and key technologies of the firstMars probe of China。 Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5

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