¡Aterrizaje exitoso! Este artículo le aclarará todas las preguntas sobre la exploración de Marte.

Producido por: Popular Science China

Producido por: Observatorio Astronómico de Shanghai (SHAO) Equipo de Transmisión de Ciencias Astronómicas de la Academia de Ciencias de China (Wu Dezuo Wenwen Di Yihuan)

Productor: Centro de información de redes informáticas de la Academia de Ciencias de China

El 15 de mayo de 2021, después de un viaje espacial de 296 días, Tianwen-1 aterrizó con éxito en la parte sur de Utopia Planitia en el norte. hemisferio de Marte.

¿Aún tienes muchas preguntas sobre la exploración de Marte?

De la historia a la realidad, de las dificultades técnicas a las soluciones, en este artículo te contamos en detalle la historia de la exploración humana de Marte.

Mirando al cielo, ¿estamos solos en el vasto universo? ¿Existen criaturas y civilizaciones similares a la nuestra en otro planeta?

Marte se ve rojizo y fluorescente como el fuego; su brillo aparente cambia a menudo; y cuando Marte se mueve en el cielo, incluso se vuelve retrógrado, lo que es difícil de alcanzar.

Tras la invención del telescopio, Galileo, que fue el primero en utilizar un telescopio para observar el cielo estrellado, vio Marte, que parecía un pequeño punto rojo. Con el desarrollo de los telescopios, la gente puede distinguir algunas características detalladas de Marte. En 1877, el astrónomo italiano Schiaparelli descubrió que desde la zona oscura de la superficie de Marte se extendían muchas líneas, a las que llamó "canales de agua", que luego fueron traducidas al inglés como "canales". En 1894, Lowell, un rico hombre de negocios de Boston, estaba obsesionado con los "canales de Marte". Utilizó un telescopio de 60 cm de diámetro para explorar Marte, pensando que también había visto canales en Marte, y quedó convencido. En 1908 publicó un libro, "El hábitat de la vida: Marte". En el libro, propuso que la vida inteligente apareció en Marte en un pasado lejano, creando así un nuevo género de escritura de ciencia ficción.

En Halloween de 1938, el comediante estadounidense Olson Welles publicó por radio algunos argumentos de novelas de ciencia ficción en forma de anuncios de emergencia: los marcianos habían atacado a Estados Unidos. Había testigos en Nueva Jersey. Esto asusta a millones de estadounidenses.

No fue hasta la década de 1950 que el miedo de la gente a los marcianos disminuyó. Hay una mayor comprensión científica de Marte, lo que sugiere que la vida en la Tierra no puede existir en Marte porque es demasiado frío y seco. Pero las similitudes entre Marte y la Tierra son tan interesantes que es difícil descartar la posibilidad de que haya otras formas de vida en Marte.

En aquel entonces, científicos e ingenieros querían saber si había vida en Marte o si el ser humano podría llegar al Planeta Rojo, pero había obstáculos técnicos. En 1957, la Unión Soviética lanzó con éxito su primer satélite artificial, lo que conmocionó al mundo y abrió las fronteras de la exploración espacial.

A través de la sonda de Marte, sabemos que Marte tiene uno de los cañones más grandes y más largos del sistema solar: el Canyon Mariner, que abarca más de la mitad de Marte, unos 4.000 kilómetros de largo y 7 kilómetros de profundidad. Marte tiene la montaña más alta del sistema solar, el volcán Olimpo, con una altura de más de 20.000 metros, que es más de tres veces la altitud del Monte Everest, la montaña más alta de la Tierra. También sabemos más sobre la composición de la superficie. de Marte y hemos encontrado rastros de agua en Marte.

¿Cómo llegar a Marte? Primero repasemos cómo salir de la Tierra. Este asunto comienza con la Gran Peste en Londres en 1665: En ese momento, Newton en el Trinity College de Cambridge se encontraba aislado en el campo. Cuenta la leyenda que un día Newton fue golpeado en la cabeza por una manzana mientras pensaba bajo un manzano, y luego pensó que la luna nunca había caído, descubriendo así la ley de la gravitación universal. El autor siempre ha sentido curiosidad por los detalles de este rumor y sospecha que en el momento en que Newton fue golpeado, podría estar pensando en arrojar la manzana lo más lejos que pudiera. ¡Hay imágenes que lo demuestran!

Todos sabemos que al lanzar una manzana, cuanto más fuerte sea la fuerza y ​​mayor sea la velocidad de lanzamiento, más lejos se lanzará la manzana, pero tarde o temprano caerá al suelo.

¿Y qué si lo lanzamos más fuerte y más rápido? Aparentemente se puede lanzar muy lejos. Bajo suposiciones ideales, siempre que la velocidad de salida sea lo suficientemente rápida, ¡puede que no sea imposible lanzarlo desde el Polo Norte al Polo Sur! ¿Qué pasaría si esforzáramos más? Apple puede volar sobre la Antártida, o incluso regresar al Polo Norte, volver a la misma posición donde empezamos y luego volver a hacerlo "mil millones" de veces. Entonces sabemos que cuando la manzana se lanza a una velocidad superior a cierta, ya no cae de nuevo a la Tierra, sino que se mueve en un círculo alrededor de la Tierra. Los científicos llaman a esta velocidad la "primera velocidad cósmica" (velocidad orbital) y es de 7,9 kilómetros por segundo en la Tierra. La Luna se mueve en un movimiento circular de alta velocidad alrededor de la Tierra, que es la razón principal por la que la Luna no cae.

Para salir de la Tierra, la primera velocidad cósmica no es suficiente. Necesitamos acelerar de nuevo, hasta la segunda velocidad cósmica (velocidad de escape) de unos 11,2 kilómetros/segundo. Sólo entonces podremos abandonar la Tierra, entonces, ¿cuál es el precio que debemos pagar? Tomemos como ejemplo el proyecto Apolo. El peso total del vehículo de lanzamiento Saturn V es de 3.000 toneladas y solo puede transportar una nave espacial de 45 a 48 toneladas a la órbita de transferencia Tierra-Luna. En la primera etapa, cada segundo se queman 13 toneladas de combustible, suficiente para que un coche familiar dé cuatro vueltas a la Tierra.

¿Podremos emprender el camino hacia Marte tras abandonar la Tierra? Ni siquiera cerca.

Resulta que tener una buena planificación de rutas puede ahorrar mucho combustible. En 1925, el Dr. Walter Hohmann propuso la órbita de transferencia de Hohmann que utiliza la gravedad del sol. Esta ruta es la que ahorra más energía.

Su idea era encontrar una ruta elíptica alrededor del sol entre la órbita de la Tierra y la órbita de Marte. Esta elipse está circunscrita a la órbita de la Tierra e inscrita a la órbita de Marte. Tomando la Tierra en el momento de la salida como perihelio, la velocidad relativa al sol es la mayor, alcanzando los 32,7 kilómetros/segundo. Tomando a Marte como afelio al llegar, la velocidad relativa al sol es la más pequeña, sólo 21,5 kilómetros/segundo. . Todo el proceso solo necesita acelerarse dos veces, una vez para salir de la órbita de la Tierra y entrar en la órbita de transferencia de Hohmann, y la otra vez para salir de la órbita de transferencia de Hohmann y entrar en la órbita de Marte. Necesita acelerar de 21,5 kilómetros/segundo a. la velocidad de revolución de Marte es de 24,5 kilómetros/segundo.

No tener que acelerar demasiado puede parecer un ahorro de combustible, pero también lleva mucho tiempo. Debido a las diferentes ventanas de detección, el rendimiento del cohete y los planes de vuelo utilizados por cada detector son diferentes. La distancia de vuelo final del detector alcanza entre 400 y 700 millones de kilómetros y el tiempo de vuelo oscila entre 6 y 11 meses. La situación real también es muy complicada y requiere muchos cálculos que sólo pueden ser realizados por agencias aeroespaciales grandes y profesionales.

A este respecto, existe una metáfora en "La próxima estación a Marte":

"Esto es un poco como dejar que una persona se lance (lanza) en un planeador (la Tierra se mueve más rápido) ) Un pequeño guijarro (detector), muy adelantado (ventana de lanzamiento), con la influencia del viento y el aire (diversas fuentes gravitacionales como estrellas y planetas), pasa con precisión a través del suelo y se mueve hacia la izquierda y hacia la derecha (órbitas de Marte La órbita del Sol tiene diferentes inclinaciones y grandes excentricidades) y luego cae en el vaso de agua del conductor (incluso si no se considera la órbita alrededor de Marte, la dificultad de aterrizar y detectar Marte es imaginable). El largo tiempo de vuelo es un aspecto, y el tiempo de espera para abandonar la Tierra y entrar en la órbita de transferencia de Hohmann, es decir, la ventana de lanzamiento, también es muy largo. Según los requisitos de Hohmann, esta ventana de tiempo solo aparecerá una vez cada 26 meses. Si la pierdes, será otra larga espera. La última ventana de lanzamiento es de julio a agosto de este año.

Las misiones de exploración de Marte generalmente se pueden dividir en tres categorías: orbitar, aterrizar y patrullar. Las misiones en órbita son para lanzar sondas que orbitan alrededor de Marte, como la Mars Express de la ESA y el Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA. Las misiones de aterrizaje son para aterrizar sondas en Marte, como las sondas Phoenix e InSight de la NASA. Una misión de patrulla es un rover capaz de patrullar y explorar; Marte, como los rovers Sojourner, Spirit, Opportunity y Curiosity de la NASA.

En 1960, la antigua Unión Soviética lanzó la sonda Mars 1A a Marte, lo que supuso el comienzo de la exploración humana de Marte. En 1964, Estados Unidos lanzó con éxito la sonda Mariner 4 Mars, que fue la primera sonda de la historia en llegar con éxito a Marte. Desde Mars 1A en 1960 hasta InSight en 2018, los humanos han llevado a cabo más de 40 misiones de exploración de Marte, incluidas misiones de órbita, aterrizaje y patrullaje, de las cuales solo alrededor de la mitad tuvieron éxito. Entonces, ¿por qué es tan difícil la exploración de Marte?

Hay un período de ventana para la exploración lunar cada año; Marte está muy lejos de la Tierra y solo hay una "ventana de exploración de Marte" cada aproximadamente 26 meses. , sólo puedes esperar otros dos años.

Cuando se vuela una cometa, por muy alto que vuele, todavía queda un hilo en la mano. Así, en el largo camino a Marte, también hay "un hilo" entre la sonda y la sonda. ¿suelo?

Sí, esto es medición y control y transmisión digital.

La medición y control y la transmisión digital se refieren a la comunicación entre la estación de medición y control en tierra y el detector, es decir, el sistema de control y medición en tierra se utiliza para determinar la órbita y posición del detector, y la estación terrestre se utiliza para enviar comandos de control remoto al detector y recibir datos de detección científica.

Las dificultades en la comunicación de control y medición del espacio profundo se pueden resumir en una gran atenuación espacial de la señal, un tiempo de transmisión de señal extendido, un entorno de propagación de señal complejo y dificultad en la navegación de alta precisión [2].

Dificultad 2.1 La atenuación del espacio de la señal es grande y la señal recibida es débil

La comunicación de medición y control de los detectores del espacio profundo debe enfrentar una serie de problemas causados ​​por las largas distancias. La comunicación de medición y control generalmente utiliza señales de radio. Para la transmisión de información, las ondas de radio se irradian hacia afuera a la velocidad de la luz y la intensidad se atenúa según el cuadrado de la distancia de propagación. Por lo tanto, cuanto más lejos de la fuente de emisión de la señal, menor es la intensidad. [2].

La distancia entre la sonda a Marte y la Tierra es muy grande, hasta 400 millones de kilómetros, lo que supone 1.000 veces la distancia entre la Tierra y la Luna. Cuando la señal emitida por el detector se transmite a la Tierra a una gran distancia, la intensidad de la señal se ve muy atenuada y generalmente se utiliza una antena de mayor diámetro para recibir la señal débil.

Dificultad 2.2 Extensión del tiempo de transmisión de la señal

La comunicación unidireccional de la exploración lunar dura aproximadamente 1,3 segundos, lo que básicamente puede lograr una comunicación en tiempo real. El tiempo de comunicación unidireccional más largo para la detección de Marte es de 22 minutos. El personal terrestre no puede controlar el detector a tiempo, por lo que se plantean requisitos más altos para el control autónomo del detector. Especialmente al aterrizar en Marte, la sonda aterrizará desde la órbita hasta la superficie de Marte en solo 7 minutos. El personal de medición y control no tiene tiempo para juzgar el estado operativo de la sonda y hacer correcciones. Solo pueden confiar en la sonda. propio juicio de control a la tierra.

Dificultad 2.3 El entorno de la misión es complejo

La sonda a Marte está muy lejos y las señales de radio deben atravesar no sólo la troposfera y la ionosfera de la Tierra, sino también la atmósfera de Marte. A medida que el complejo cambia en la región del plasma solar, el entorno de propagación de la señal es muy complejo.

Dificultad 2.4 La navegación de alta precisión es difícil

La sonda de Marte tiene una órbita compleja, una gran distancia y el período de observación no se puede cubrir continuamente, lo que dificulta la navegación de la sonda. . La fase de crucero de la sonda, la captura cerca del fuego y el aterrizaje en Marte requieren tecnología de navegación de ultra alta precisión. Si la precisión de la navegación no es alta, la sonda puede perder contacto o pasar por Marte durante la fase cercana al fuego y entrar en Marte. atmósfera. Quemar o golpear a Marte directamente.

Dificultad 3 - Es difícil llegar a Marte y aterrizar en Marte

Dado que las capacidades actuales de los vehículos de lanzamiento de la humanidad son limitadas y no pueden transportar una sonda demasiado grande a Marte, uno de los objetivos de Detectar Marte es uno es consumir la menor cantidad de combustible posible y enviar una sonda de mayor masa a Marte. Con la ayuda de la "órbita de transferencia de Hohmann", la sonda puede volar desde la Tierra a Marte con el menor consumo de energía.

Debido a que Marte está muy lejos, durante el vuelo de varios meses de la sonda, será perturbado por múltiples cuerpos celestes del sistema solar, así como por influencias complejas como el viento solar y la radiación espacial, y hay más factores a considerar.

Marte está a 400 millones de kilómetros de la Tierra, lo que requiere mayores requisitos de diseño de órbita. Si la órbita se desvía un poco, se amplificará enormemente cuando alcance los 400 millones de kilómetros.

Después de que la sonda llegue cerca de Marte, debe ser capturada por la gravedad marciana antes de que pueda orbitar Marte. La masa de Marte es pequeña y el rango de influencia gravitacional es pequeño, por lo que la sonda debe entrar con precisión en la órbita alrededor del fuego después de realizar un frenado cercano. Una ligera desviación puede no alcanzar Marte o quemarse en la atmósfera marciana.

Aterrizar en Marte es lo más difícil. En la actualidad, Estados Unidos, Rusia y la Agencia Espacial Europea han llevado a cabo aterrizajes en Marte, pero sólo Estados Unidos lo ha logrado completamente. Incluso en lo que respecta al alunizaje, hasta ahora sólo los Estados Unidos, Rusia y China lo han logrado.

Las etapas de entrada, descenso y aterrizaje de una sonda a Marte son las etapas de vuelo más difíciles y arriesgadas en la exploración de Marte, ya que requieren que la sonda complete maniobras como una alta desaceleración aerodinámica y el despliegue de paracaídas en un corto período de tiempo. tiempo. Las principales dificultades en esta etapa son: dificultad para desacelerar el vuelo aerodinámico, dificultad para evitar obstáculos en la superficie de Marte y dificultad para la verificación del vuelo [8].

Tomando como ejemplo las misiones de aterrizaje en Marte de los últimos años, el módulo de aterrizaje Schiaparelli EDM, una colaboración entre la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Federal Rusa (Roscosmos), está previsto que se lance en Octubre de 2016. Aterrizó en Marte el día 19, pero la misión fracasó debido a una colisión a alta velocidad entre el módulo de aterrizaje y Marte. Como otro ejemplo, como parte de la misión Mars Express de 2003 de la Agencia Espacial Europea, el módulo de aterrizaje Beagle 2 perdió todo contacto cuando entró en la atmósfera marciana seis días después de ser liberado de Mars Express. Más tarde se confirmó que el módulo de aterrizaje aterrizó con éxito en la superficie de Marte, pero por alguna razón no pudo completar su despliegue y comenzar a funcionar.

El aterrizaje del rover en Marte requiere una mayor desaceleración. La señal de la sonda de Marte tarda decenas de minutos en transmitirse de Marte a la Tierra, pero la sonda solo tarda 7 minutos en aterrizar desde su órbita a Marte. Por lo tanto, el personal de tierra no puede interferir con el proceso de aterrizaje de la sonda y depende completamente de ella. sonda para controlar la selección.

El proceso de aterrizaje del detector es crucial para las medidas de protección térmica del detector y para si el paracaídas, la bolsa de aire o el motor amortiguador pueden funcionar de acuerdo con el programa. Cualquier desviación en cualquier enlace conducirá al fracaso del aterrizaje. Por lo tanto, cada programa de la sonda debe controlarse con precisión y debe pasar por los llamados "7 minutos de terror" antes de poder aterrizar suavemente con éxito.

En la actualidad, existen tres formas principales para que la sonda aterrice en Marte: amortiguación tipo pierna, amortiguación de airbag y grúa aérea. Las sondas American Viking y Phoenix, así como las sondas InSight, utilizan amortiguación de tipo pierna. Spirit y Opportunity utilizan amortiguación de bolsas de aire. El aterrizaje con bolsas de aire es adecuado para vehículos pequeños en Marte, mientras que los vehículos más grandes en Marte necesitan usar motores de retroceso para aterrizar. Debido a su gran masa, el rover Curiosity Mars solo puede aterrizar utilizando el método de grúa aérea más avanzado.

El seguimiento y la determinación de la órbita de las sondas de Marte utilizan actualmente principalmente tres métodos: medición de distancia, medición de velocidad y medición de ángulo de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) basada en mediciones de radio terrestres [3].

VLBI tiene una alta sensibilidad al cambio de posición del detector perpendicular a la línea de visión. Complementa la medición de velocidad y alcance altamente sensible en la dirección de la línea de visión. Es un medio necesario para determinar la órbita. de la sonda de Marte, especialmente La ventaja es más obvia en las secciones del arco de medición y control donde la determinación de la órbita es más difícil, como la sección de transferencia de fuego terrestre y la sección de frenado cercano al fuego [1].

Cuando la sonda entra en la etapa de frenado cercano al fuego, la distancia desde el suelo generalmente alcanza cientos de millones de kilómetros. En comparación con los 380.000 kilómetros cuando fue capturada la sonda lunar, la distancia ha aumentado varias veces. Por ejemplo, el error de medición del retardo del VLBI es de 1 nanosegundo (0,3 metros). Con una longitud de línea base de 3.000 kilómetros, el error de medición de la órbita de un solo punto perpendicular a la línea de visión de una sonda de Marte a cientos de millones de kilómetros de distancia es de aproximadamente un nanosegundo. unas pocas docenas de kilómetros, que es mucho mayor que el error de alcance en la dirección de la línea de visión. La mejora de la precisión de la medición del retardo VLBI es un vínculo clave para mejorar la precisión de la determinación de la órbita de la sonda de Marte.

Para mejorar la precisión de la medición del retardo VLBI, la tecnología Delta Differential One-way Ranging (Delta-DOR) se utiliza generalmente para la medición y el control durante la exploración de Marte. El propósito de la tecnología de medición de velocidad y alcance es medir la distancia direccional y la velocidad del objetivo, mientras que la tecnología Delta-DOR es medir la posición lateral del objetivo. El fracaso del "Mars Climate Orbiter" en 1998 demostró claramente la importancia de la tecnología Delta-DOR para el seguimiento de sondas en el espacio profundo y la determinación de órbitas. Debido a que no se utilizó la tecnología VLBI, el error fatal del aumento del error del plano tangente no se descubrió a tiempo y la misión finalmente fracasó. Por tanto, si la tecnología de medición y control no está muy madura, el riesgo de detectar Marte es muy alto.

En misiones como "Chang'e-3", el subsistema de medición de la órbita VLBI compuesto por la Estación de Shanghai, la Estación de Beijing, la Estación de Kunming y la Estación de Urumqi, así como el Centro de Procesamiento de Datos VLBI en el Observatorio de Shanghai, se Se utiliza y la tecnología de posicionamiento diferencial unidireccional reduce el error de medición del retardo VLBI a menos de 1 nanosegundo. Combinando los datos de velocidad y alcance, los errores de posicionamiento de la superficie lunar y medición de la órbita del módulo de aterrizaje son de aproximadamente 50 metros, y los parámetros de error de órbita del segmento de transferencia Tierra-Luna y del segmento de frenado cerca de la Luna son de 100 metros [1].

La tecnología de posicionamiento diferencial unidireccional es adecuada para la determinación de la órbita de un solo detector, mientras que la tecnología VLBI del mismo haz es adecuada para la determinación precisa de la órbita de múltiples detectores. La tecnología denominada interferometría del mismo haz (SBI) utiliza el haz principal de un radiotelescopio para recibir simultáneamente balizas enviadas por dos (o más) detectores para obtener la correlación entre las dos (o más) balizas detectoras. Dado que las rutas de propagación de la señal son básicamente las mismas, la diferencia puede debilitar efectivamente los errores causados ​​por la atmósfera, la ionosfera y los equipos en la ruta de propagación de la señal, obteniendo así un posicionamiento orbital relativo de alta precisión de los detectores.

El proyecto de exploración de Marte es otro importante proyecto de exploración espacial en China después del proyecto espacial tripulado y el proyecto Chang'e. También es la primera actividad de exploración del entorno espacial extraterrestre llevada a cabo por nuestro país.

En enero de 2016, el estado aprobó oficialmente la primera misión de exploración a Marte de mi país.

En julio de 2020, mi país llevó a cabo su primera misión independiente de exploración a Marte, "Tianwen-1".

"Tianwen-1" es lanzado por el cohete Gran Marcha 5, que actualmente es el más grande de mi país. La sonda a Marte "Tianwen-1" completará las misiones de órbita, aterrizaje y patrulla a la vez, que serán completadas por el orbitador y el vehículo de patrulla de aterrizaje respectivamente. El orbitador gira en órbita alrededor de Marte y puede realizar de forma independiente misiones de detección de órbita globales e integrales, y también puede realizar comunicaciones de retransmisión. El mecanismo de aterrizaje es responsable de llevar el rover a Marte de manera segura, y el rover es responsable de llevar a cabo; Operaciones en la superficie de Marte. Detección de patrullas regionales.

Escrito al final

El 20 de julio, hora de Beijing, la misión china de exploración a Marte “Tianwen-1” fue lanzada desde la base de lanzamiento de Wenchang en Hainan, abriendo oficialmente la puerta a mi cortina de exploración planetaria del país.

El 15 de mayo de 2021, "Tianwen-1" aterrizó con éxito en Marte, China se convirtió en el segundo país después de Estados Unidos en dominar la tecnología de aterrizaje e inspección de Marte, y también fue el primero del mundo en hacerlo. explorar Marte. El país que completó la misión de aterrizaje suave.

La misión de exploración a Marte "Tianwen-1", que lleva el nombre del largo poema "Tianwen" de Qu Yuan, tiene un largo camino por recorrer y es de gran importancia. Aunque es extremadamente difícil, la nación china está llena. de confianza y ha hecho suficientes preparativos. La preparación científica y tecnológica conlleva la tenacidad y perseverancia de la nación china e incluso del mundo en la búsqueda de la verdad.

Materiales de referencia:

[1] Liu Qinghui. Tecnología de determinación de órbita VLBI de Exploración de Marte 2018. Journal of Deep Space Exploration.

[ 2] Wu Weiren. Ingeniería y tecnología de sistemas de comunicación de control y medición del espacio profundo.

[3] Liu Qinghui Aplicación de la tecnología VLBI del mismo haz en la determinación de la órbita del detector del espacio profundo.