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chia币(www.chia8.vip):4亿公里外“远程接线” 实验室里专一造土 “天问探火”背后的元勋

admin2021-05-2727

  △图为克日,事情职员在北京航天航行控制中央对天问一号举行监测。(中国航天科技团体八院供图)

  5月19日,国家航天局宣布了火星探测天问一号义务探测器着陆历程两器星散和着陆后火星车拍摄的影像,再次引发民众关注。

  作为中国第一次真正意义上的深空之旅,火星探测的主要性和挑战性都差异于以往。利箭腾飞、祝融巡火的壮丽背后,是不容毫秒误差的精准、是连一个弹簧都非比寻常的高科技,是从机械力学到盘算机、新质料、岩土工程等多学科领域的综合,更是无数科研事情者的支出。除了我们所熟悉的发射者、设计者之外,天问一号背后另有哪些幕后元勋?他们赋予了天问一号哪些高明性能?让我们一起走近他们。

  △由火星车前避障相机拍摄,正对火星车前进偏向

  “地火传书”背后的通讯员:“‘祝融号’抵达后,我的生涯就进入了火星时间”

  5月19日晚上7时,中国航天科技团体八院天问一号围绕器软件主任设计师张海吃过晚饭,准时来到北京航天航行控制中央。在和白班同事举行报表交接后,他和夜班的其他同事来到 *** 室,讨论汇报这一天火星探测器的运行情形。

  “一切正常。”张海欣慰地说,自“祝融号”5月17日首次与围绕器确立通讯链路,传回“第一封家信”后,现在状态不错,通讯网络也十分通畅,后期定会有更多数据传回。

  天问一号探测器主要由围绕器和着陆巡视器(含“祝融号”火星车)两部门组成。前期,围绕器是搭载“祝融号”的星际专车。在将“祝融号”平安送达火星后,围绕器上升至中继轨道,往后数月它将变身通讯器,确立起“祝融号”与地球之间的中继通讯。

  地球到火星的距离是到月球距离的1000倍,最远跨越4亿公里。4亿公里“远程通讯”,难度可想而知。围绕器总体主任设计师牛俊坡告诉记者:“地面站与探测器间通讯是通过无线电波实现的,距离越远信号衰减越大,我们吸收到的信号就越微弱。此外,这种超远距离还会导致通讯延时变长,一条信息从火星传回地球,最久要22分钟。更难的是,围绕器处于不停航行运动中,不是全天候瞄准地球的,而信息又必须在它以特定角度、稳固姿态瞄准地球的情形下才气传回。”

  △由导航相机拍摄,镜头指向火星车尾部

  在火星车着陆初期阶段,火星车与地面的通讯通过围绕器接纳UHF频段+X频段两种中继通讯方式举行。为保证通讯质量,团队为围绕器设置了最强“千里眼”“顺风耳”——深空应答机加高增益收发天线。X频段深空应答机认真围绕器与地面的通讯,UHF频段收发信机认真“祝融号”与围绕器之间通讯,再加上2.5米口径的大天线,配合组成一个立体通讯网。

  牛俊坡笑称,自“祝融号”抵达后,自己的生涯就进入了火星时间。在飞控职员眼前的显示器上,记者看到三种时间,一个是北京时间,一个是遥测时间,即最近一项数据从火星上传回来的时间;另有一个,就是牛俊坡说的火星时间。事情职员将“祝融号”着陆的那一刻设为第一个火星日,到今天,已经是第十个火星日了。在这些主要忙碌的火星日里,包罗张海在内的8名事情职员被分成测控岗和综合电子岗,前者认真地面、围绕器、火星车之间的通讯,后者认真遥控指令处置等,24小时不中止对天问一号举行监测遥控。这样高麋集的事情将一直连续到本月月尾。

  天问已至,求索无疆。牛俊坡笑着说,这还不是最累的时刻,等通讯事情竣事后,围绕器将对火星举行遥感探测直到寿命竣事。“现在它在中继轨道,一天绕火星转三圈;到了遥感轨道,一天就不止三圈了,义务量会更多。”

  乐成着陆背后的“造星人”:“把危险提前模拟出来,让它学会怎么处置”

  5月15日,天问一号着陆巡视器下降在火星乌托邦平原南部。“稳了!”得知这一新闻,天津大学修建工程学院教授蒋明镜欢呼起来,像是自己学生考上理想高校一样。

  若是把此次火星上岸比作高考,那发射前的试验就是模拟考,而蒋明镜教授和他的“北洋能源与环境岩土团队”就是“出卷先生”。火星探测器的着陆时间一样平常为7—8分钟,这几分钟无法举行人工控制,一切全要靠“祝融号”自己来完成。为了让“祝融号”“一次考过”,蒋明镜团队花了两年时间,在河北省怀来县模拟制作了一个火星外面,让“祝融号”在此提前验证那决议成败的着陆历程。

  蒋明镜的主要研究偏向是岩土工程,他和石头、土块打了几十年交道,之前也介入过月壤模拟研究。但这次火星地表模拟,对他依然是个不小的挑战。

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  △由围绕器的监视相机拍摄的着陆巡视器星散历程图像

  “火星引力仅为地球的38%,地形庞大,北半球是被熔岩填平的低原,南半球是充满陨石坑的高地,中央以斜坡脱离,火山地形穿插其中,比月球庞大多了!”蒋明镜说,为了尽可能真实还原,团队制作了多个场景,不仅模拟了火星地貌特征还模拟了重力、激光特征等。

  “为保万无一失,我们做了多种极端工况,把晦气因素都思量了进去,什么样最危险,我们都提前模拟出来,让它学会怎么处置。”蒋明镜先容,光陨石坑,团队就做了几十个。目的是为了让“祝融号”着陆时能够识别,不下降在上面。“由于陨石坑不平整,且坑内土壤的力学性能不明确,下降在上面可能会导致着陆器倾倒。”

  “祝融号”落在什么样的地方最好?这次着陆点选在乌托邦平原南部有什么思量?

  蒋明镜说,选在这里着陆,一方面是出于平安思量,这里地形平缓,陨石坑较少,另一方面也源于这个地方的科学考察价值。若是仅从平安性上说,理想情形是下降在平缓的外面上。“有点像立定跳远,必须落到沙场内里,若是那周围有一块石头,就不能往上踩,踩上去脚就要扭了。”蒋明镜示意,即便落在“沙场”上,也还得保证“祝融号”不会陷进去。为此,团队模拟研究了火星土壤的承载力,提前预估了这些土约莫能承载多大重量。

  今年32岁的石安宁是天津大学岩土工程专业的博士生,也是蒋明镜团队中的一员。他告诉记者,前半年,他们主要是在“实验室里造土”:“这是我们首次上岸火星,火星土壤什么样,谁也没见过。以是我们一方面参考了外洋已有的火星探测资料,另一方面是依据团队之前研究月球土壤模拟物的履历。最后选取火山灰作为原质料,在实验室内举行物理力学试验。”

  整个“造星”历程,最难的环节是施工。石安宁回忆:“为了保证准时发射,园地建设一直在赶工期,但怀来一年中大部门时间都是低温大风天气,对施工影响很大。”

  △由围绕器的监视相机拍摄的着陆巡视器星散历程图像

  战胜重重难题,2019年9月,项目准期完工。昔时10月到11月,这里举行了7次着陆器悬停避障试验。蒋明镜还记得,2019年11月14日,首次对外公然试验当天,怀来夜晚的温度已降到零度以下。在严寒的寒风中,他怀着主要又期待的心情眼见火星探测器升到空中六七十米高度,焚烧后缓慢下降到中央高度,悬停四五分钟后,平稳落在地面上。现场十几个国家的驻华大使,都赞叹不已,那一刻,蒋明镜以为,一切辛勤都值了。

  而对石安宁来说,他现在最期待下一步天问二号的火星取土返回:“我很想研究一下真实的火星土壤有什么物理力学性能,若是以后国家建设火星基地,就可以提供辅助。”

  轻装上天背后的“瘦身教练”“探测器多一克重量,增添的发射成本远超一克黄金”

  奔向火星,要战胜地球壮大的引力,这要求天问一号探测器的总重量不能跨越5000公斤。但远途旅行,天问一号要带不少“行李”——光推进剂就至少2500公斤。为了上天,天问一号不得不自己瘦下来——它的结构部件应用了天下上最轻的金属结构质料之一——新型镁锂合金。

  “密度低、抗电磁滋扰、抗辐射……”谈起镁锂合金的优点,西安交通大学质料科学与工程学院教授柴东朗如数家珍。

  作为这一质料的研发者,早在2005年,柴东朗就最先了这项研究,灵感源自和同伙的一次谈天。“航天探测器要飞到遥远的宇宙,太胖一定不行。”从搞航天工程的同伙口中,柴东朗得知,重量对卫星发射和火箭推力有着伟大的影响。已往,航天的主体质料大部门是铝合金,由于航天器对质料的强度及密度要求很高,只有铝合金能知足。“那时,我正在做碳化硅增强铝基复合质料的研究,这种质料性能虽高,但其密度与铝相仿。我就想能不能把它做轻一点?”柴东朗说,在所有金属中,锂的密度最低。他先试着把锂加了进去,质料的重量是减轻了,可强度也变低了。于是他又用其他合金化手段来提升质料的强度及耐热性、耐侵蚀性。在团队的不懈起劲下,终于试验乐成。往后,又举行开发应用,先后用了10年时间,新型镁锂合金才最终面世。与铝合金相比,同样巨细,它的重量仅是铝合金的一半。

  对于航天产业而言,重量减轻除了能削减对火箭推力的要求,另有一个主要意义是省钱。“探测器多一克的重量,增添的发射成本远超一克黄金。”镁锂合金生产制造方这样示意。

  2016年12月22日,柴东朗在酒泉卫星发射中央亲眼眼见了自己多年的手艺功效落地。那一天,长征二号丁运载火箭搭载着高分辨率微纳卫星顺遂升空。这颗卫星的整体结构质料接纳的就是镁锂合金。卫星升空那一刻,柴东朗没忍住,掉下了眼泪:“心情是很激动的。由于低密度的镁锂合金外洋之前就有了,但咱们国家一直没有,外洋也不卖给咱们。现在我们终于用上自己的新质料了!”发射竣事后,柴东朗还特意去了为航天事业献身的义士们的陵园。中国航天人一丝不苟、为国奉献的事迹让他再一次心潮汹涌。

  现在,柴东朗已年逾七旬,他最初研究镁锂合金时的一头黑发也染上了岁月的风霜。但他依旧闲不下来。这几年,他率领团队对镁锂合金举行进一步改良,这次用在天问一号上的就是改善升级后的。“通过制备工艺改善及因素调整,现用的镁锂合金密度更低,也许是每立方厘米1.5克左右。而我们现在研制的第二代镁锂合金密度比这个还要低。现在,实验室的研发事情已经基本上完成了,希望能用到以后的航天产物上面。”

  (泉源 中央纪委国家监委网站)

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