Receta de Jiamusi Huoxing
Hasta ahora, como la primera sonda a Marte lanzada por China, "Tianwen-1" ha completado los tres pasos técnicos de la exploración de Marte a la vez. Estos tres pasos son orbitar Marte, aterrizar y patrullar, es decir, entrar en la órbita de Marte, aterrizar en la superficie de Marte y el rover caminar y patrullar en la superficie. ¿Por qué la Administración Espacial de China logró romper con éxito la llamada "Maldición de Marte" con su primera misión de aterrizaje de un rover en Marte? ¿Cómo se desarrollaron las diversas tecnologías aeroespaciales involucradas en el aterrizaje de Zhu Rong?
Debido a la distancia extremadamente larga entre la Tierra y Marte y al complejo entorno de la superficie de Marte, el viaje para explorar Marte ha sido extremadamente difícil desde el principio. Hasta ahora, la tasa de éxito de las sondas humanas en la exploración de Marte es sólo del 50%, y la tasa de éxito de las misiones de aterrizaje en la superficie de Marte es sólo de alrededor del 40%. Por eso, las misiones de exploración a Marte siempre han sido llamadas la "Maldición de Marte". Antes del "Zhurong" de China, sólo Estados Unidos podía lanzar con seguridad un vehículo explorador a la superficie de Marte. Las misiones de la antigua Unión Soviética, Rusia y Europa fracasaron. Para lograr la misión de exploración, aterrizaje y detección de Marte en órbita, China necesita una serie de tecnologías clave, que incluyen, entre otras: una red global de exploración del espacio profundo, capacidades de lanzamiento de cohetes pesados y control de la órbita de satélites, reentrada atmosférica de naves espaciales. y tecnología autónoma de aterrizaje suave.
La medición y el control del espacio profundo generalmente se refiere al uso de señales de radio desde la Tierra para rastrear, telemedir y controlar satélites que vuelan a la Luna y más allá. Si un país quiere implementar una red global de exploración del espacio profundo, no sólo necesita establecer estaciones de monitoreo satelital dentro de su propio territorio, sino que también necesita buscar cooperación internacional para lograr una cobertura espacial total. Como uno de los pioneros en la exploración de Marte, Estados Unidos ha establecido sus propias estaciones de seguimiento en su propio territorio y también ha establecido instalaciones de exploración del espacio profundo en España y Australia. También cooperó con la Agencia Espacial Europea durante el vuelo y aterrizaje. Colaboró la sonda Perseverance.
Por el contrario, la red de exploración del espacio profundo de China comenzó tarde, pero desde un punto de partida elevado. Desde el siglo XX, China ha establecido o mejorado siete redes chinas de exploración espacial, con un diámetro máximo de 70 metros. Están distribuidos por todo el país para garantizar la cobertura del espacio aéreo más amplia posible. Entre ellas, la Estación TT&C de Espacio Profundo de Kashgar y la Estación TT&C de Espacio Profundo de Jiamusi, puestas en uso por el Centro TT&C de Satélites Xi en Xinjiang a finales de 2012, han completado con éxito el plan de retorno de muestras lunares y el rover lunar de China, conocido como "Chang". El Proyecto de Exploración Lunar."
2065438+En julio de 2005, cuando la sonda estadounidense New Horizons sobrevoló Plutón para realizar observaciones científicas, la estación Jiamusi Deep Space TT&C capturó con éxito la señal de la sonda, y la distancia de seguimiento más larga alcanzó los 4,76 mil millones de kilómetros. 2065438+ En septiembre de 2007, la Red TT&C de Espacio Profundo de mi país realizó el seguimiento y medición de todo el proceso del impacto de la sonda estadounidense Cassini con Saturno, acumulando una valiosa experiencia para posteriores misiones independientes de exploración del espacio profundo. Para satisfacer aún más las necesidades de medición y control de la sonda Tianwen-1 a Marte, el primer conjunto de antenas de exploración del espacio profundo de China fue depurado y probado en Kashgar, Xinjiang, el 5438+065438+08 de octubre de 2020. Tres antenas recién construidas de 35 metros de diámetro y las antenas originales de 35 metros forman cuatro sistemas de antenas de guía de ondas de haz de 35 metros de profundidad. La antena tiene la capacidad de recepción de datos de una antena equivalente con un diámetro de 66 metros, es adecuada para varios tipos de misiones al espacio profundo y tiene un mayor soporte de medición y control.
Además de las estaciones espaciales nacionales, en 2014, los gobiernos de China y Argentina firmaron un acuerdo para establecer la primera estación de medición y control del espacio profundo en Las Lajas, provincia de Neuquén, Argentina. En 2017, la Estación Espacial Profunda Argentina se completó con éxito y se puso en funcionamiento para el desarrollo y utilización del espacio exterior entre China y Argentina. La ubicación geográfica aquí es aproximadamente simétrica con la de China a lo largo del centro de la Tierra, lo que puede brindar apoyo para el seguimiento de Tianwen-1 en los hemisferios occidental y sur. Además, al igual que Perseverance, la misión Tianwen-1 también coopera con la Red de seguimiento del espacio profundo de la Agencia Espacial Europea; las estaciones de monitoreo de la ESA en España y Australia participan en la retransmisión y transmisión de señales, y el desarrollo de la Red de exploración del espacio profundo de China brinda oportunidades para Marte. exploración. La misión sentó una base sólida.
Las capacidades avanzadas de control de órbita y ajuste de actitud de los cohetes y satélites de carga pesada son cruciales para que un país pueda detectar las sondas de Marte. Como la primera sonda a Marte del mundo en completar la órbita, aterrizar y patrullar al mismo tiempo, "Tianwen-1" es una sonda gigante con un peso total de 5 toneladas, aproximadamente 4,9 veces mayor que la "Tenacity" estadounidense. El empuje del cohete necesario para lanzar un rover de dos camiones a la órbita de Marte es extraordinario. Entre los cohetes que se utilizan en el mundo, sólo tres tienen la capacidad de transferir más de 5 toneladas de potencia de fuego al suelo. Se trata del cohete Delta 4 Heavy de la NASA, el cohete Falcon Heavy de SpaceX y el cohete Long March 5 de China.
El "Larga Marcha 5" es el primer vehículo de lanzamiento de serie de oxígeno líquido, hidrógeno y queroseno a gran escala de China que adopta la última tecnología desde el conjunto hasta los subsistemas. Se trata del mayor proyecto de sistema de transporte espacial y de mayor alcance tecnológico desarrollado por nuestro país. En comparación con el anterior cohete Gran Marcha, las nuevas tecnologías representan más del 95%. Al mismo tiempo, actualmente es el cohete de China con mayor masa de despegue, mayor diámetro de núcleo y mayor capacidad de carga activa. Tiene una carga útil en órbita terrestre baja de 25 toneladas, ocupando el tercer lugar en el mundo. Su capacidad de transferencia de potencia de fuego es de 6 toneladas, lo que cumple con los requisitos de la misión del "Tianwen-1". El 23 de julio de 2020, el cohete Gran Marcha 5 que transportaba el detector Tianwen-1 fue lanzado desde el sitio de lanzamiento de Wenchang en Hainan. Este es el cuarto lanzamiento exitoso del cohete Gran Marcha 5 y el lanzamiento exitoso número 219 de la serie de cohetes portadores Gran Marcha.
En los últimos años, China ha lanzado una gran cantidad de cohetes con altas cargas y altas tasas de éxito, sentando una base sólida para la misión de sonda a Marte. A juzgar por los datos de lanzamiento de cohetes, el número de lanzamientos de cohetes en nuestro país se ha mantenido en alrededor de 40 por año en los últimos dos años, que es básicamente el mismo que en Estados Unidos. Cada año se construyen una gran cantidad de grandes satélites de teledetección, satélites de navegación Beidou, satélites meteorológicos y satélites de censo agrícola. Se puede decir que después de décadas de desarrollo tecnológico, la tecnología de vehículos de lanzamiento y la tecnología de control de órbita de satélites de la industria aeroespacial de China han madurado.
Entre las misiones de la Administración Nacional del Espacio de China, el proyecto "Exploración lunar Chang'e" es un proyecto pionero en la exploración del espacio profundo, allanando el camino para la exploración de Marte. Desde el lanzamiento de "Chang'e-1" en 2007 hasta la finalización de la misión de regreso al suelo lunar de "Chang'e-5" en 2020, el control de la órbita del espacio profundo y la maniobrabilidad de las naves espaciales chinas han sido bien probados. Aplicando la experiencia en control de actitud y órbita adquirida con el Proyecto Chang'e a la misión de la sonda a Marte, es concebible que el control de la órbita de la sonda a Marte no sea el principal desafío para la industria aeroespacial de China. Durante los diversos ajustes orbitales de Tianwen-1 en 2020 y 2021, podemos ver que cada maniobra orbital del detector es precisa.
Debido a la alta precisión de la órbita, la corrección de la órbita originalmente programada para el 12 de febrero de 20265438 incluso fue cancelada. El 15 de febrero, la órbita se ajustó directamente para realizar un giro de 90 grados en ángulo recto en el apogeo, cambiando de una órbita horizontal alrededor de Marte a una órbita vertical. La sonda entró en la órbita polar de Marte para lograr la mejor cobertura orbital. Superficie de Marte. De hecho, como parte relativamente sencilla de todo el viaje de exploración, tras la Guerra Fría, además de Estados Unidos y Rusia, muchos países también intentaron lanzar orbitadores a Marte, incluidas varias sondas de la Agencia Espacial Europea. Tanto "Mangalian" de la India como "Hope" de los Emiratos Árabes Unidos han cooperado con éxito con la red internacional de exploración del espacio profundo y han hecho importantes contribuciones a la exploración humana de Marte.
En comparación con la órbita de Marte, el aspecto más desafiante de una misión a Marte es el aterrizaje suave del rover. El proceso de aterrizaje del rover en Marte se conoce como los "Nueve minutos de terror" y, en algunos casos, los "Siete minutos negros". Este proceso, a menudo denominado EDL, acrónimo de Entrada, Descenso y Aterrizaje, se basa en el control autónomo del módulo de aterrizaje. En la historia de la humanidad, la tasa de éxito de las misiones de aterrizaje suave a Marte es menos de la mitad. Para la Administración Nacional del Espacio de China, este es el primer intento de realizar un aterrizaje suave de un módulo de aterrizaje que pesa más de una tonelada en la superficie de Marte, lo que es realmente un nuevo desafío. Debido a las dificultades bien conocidas, el aterrizaje exitoso de Tianwen-1 sorprendió a algunas personas que hasta cierto punto no prestaban mucha atención a la industria aeroespacial de China. Pero si realmente comprendemos el camino de desarrollo de las misiones de exploración del espacio profundo de China, no nos sorprenderá particularmente el éxito total de Tianwen-1. Después de todo, las oportunidades siempre llegan a quienes están preparados, y la misión de aterrizaje suave en Marte no es una excepción.
Debido a la atmósfera única y al entorno gravitacional de Marte, hay tres acciones técnicas clave durante el proceso de aterrizaje suave:
Al igual que la Tierra, la superficie de Marte también está rodeada de la atmósfera, por lo que la nave espacial debe inevitablemente habrá una fuerte fricción con la atmósfera marciana, y la temperatura de la superficie de la nave espacial puede incluso superar los 1.000 grados Celsius. Esto requiere que el equipo de aterrizaje tenga buenas medidas de protección térmica y una forma aerodinámica, para que el equipo electrónico del detector pueda permanecer intacto durante la fricción con la atmósfera marciana y evitar vuelcos.
El reingreso no es nuevo en el programa espacial de China. Mirando hacia atrás en la trayectoria de desarrollo histórico del reingreso de naves espaciales de China, a partir de 1999, la serie de naves espaciales "Shenzhou" ha causado serias fricciones con la atmósfera terrestre cada vez que ingresan a la atmósfera terrestre. Desde 2003, 11 astronautas chinos han entrado en el espacio y han regresado sanos y salvos. Con la apertura de la Estación Espacial Tiangong de China, 12 astronautas chinos entrarán al espacio y regresarán a la Tierra en los próximos dos años. El vehículo de prueba de vuelo de reingreso Chang'e-5 T1 lanzado en 2014 y la cápsula de retorno Chang'e-5 que recuperó suelo lunar y regresó a la Tierra en 2020 han probado la seguridad y confiabilidad de la nave espacial que reingresa a la atmósfera en la segunda velocidad cósmica. Se puede decir que antes de que Zhu Rong aterrizara en Marte, se habían perfeccionado y probado tecnologías clave como el diseño de formas aerodinámicas, el control de actitud y los materiales resistentes al calor para el reingreso de la nave espacial a la atmósfera.
Durante el proceso de aterrizaje, el escudo térmico de la cola y el escudo térmico inferior desempeñan un papel de aislamiento térmico. La boquilla de control de actitud y el ala de equilibrio fuera del escudo térmico evitan que la nave espacial gire axialmente y garantizan la estabilidad de actitud. Para mejorar aún más la confiabilidad del aislamiento térmico de Tianwen-1 cuando ingresa a la atmósfera marciana, el Instituto 306 de la Corporación de Industria y Ciencia Aeroespacial de China ha diseñado un nuevo material de aislamiento térmico para el detector, el nano-aerogel, para hacer frente a temperaturas extremadamente altas. y clima frío. Al mismo tiempo, las propiedades ultraligeras del nanoaerogel también reducen en gran medida la carga del rover de Marte, permitiéndole correr más rápido y más lejos.
Además, para resistir los riesgos de incertidumbre que trae la atmósfera marciana, China ha adoptado un esquema único de entrada a la atmósfera de elevación balística basado en el llamado ala de equilibrio. Esta es la primera vez que los humanos lo hacen. lo aplicó a la exploración de Marte. Esta solución tiene un largo tiempo de desaceleración y una pequeña sobrecarga al ingresar a Marte. Al mismo tiempo, se puede mejorar la precisión del aterrizaje de la sonda controlando la dirección de elevación. También es un método de entrada ideal para futuras misiones tripuladas de muestreo, retorno y aterrizaje en Marte. Anteriormente, la cápsula de retorno "Chang'e-5" también aterrizó con éxito en la Tierra utilizando la misma tecnología.
Comparada con la atmósfera terrestre, una diferencia importante de la atmósfera marciana es que su densidad es sólo el 1% de la atmósfera terrestre. Para reducir la velocidad de la sonda a un rango seguro de menos de 100 metros por segundo antes de liberar el módulo de aterrizaje, además de la fricción entre la atmósfera marciana y el escudo térmico, la sonda también necesita la ayuda de un paracaídas. En la Tierra, debido a la alta densidad de la atmósfera, la velocidad de la sonda normalmente cae por debajo de la velocidad del sonido antes de que se despliegue el paracaídas. Sin embargo, la fina atmósfera de Marte obligó a la sonda a desplegar su paracaídas y reducir la velocidad en el tiempo durante el vuelo supersónico. Esto plantea un gran desafío para el sistema de paracaídas supersónico de la sonda y también es un factor clave que ha provocado repetidos retrasos en los planes de exploración de Marte de Europa y Rusia.
Ya en 2016, el Instituto 508 de la Quinta Academia de la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China completó una prueba en un túnel de viento de un paracaídas supersónico. En 2018, la nueva serie de cohetes sonda "Skyhawk" desarrollados por la Corporación de Ciencia y Tecnología Aeroespacial de China se lanzó con éxito desde el sitio de lanzamiento de Xinjiang Korla y completó con éxito la prueba de tecnología de paracaídas supersónicos para el aterrizaje de la sonda a Marte, sentando las bases para el aterrizaje. en Marte tres años después 1. Base técnica. Después de que un paracaídas supersónico redujera la velocidad de la sonda de Mach 2 a 95 metros por segundo, el último paso para un aterrizaje suave en Marte recayó en el módulo de aterrizaje.
A diferencia del plan de "grúa" del rover de Marte "Tenacity", Tianwen-1 adoptó un plan de aterrizaje estacionario con empuje inverso. La plataforma de aterrizaje que transporta el rover de Marte activará el sistema de empuje inverso cuando se acerque al suelo, lo que hará que la plataforma descienda lentamente. Entrando en etapa flotante a una distancia de 100 metros de la superficie de Marte. Con la ayuda de sensores ópticos de imágenes y otros equipos de medición, la sonda completó una evasión precisa de obstáculos y un lento descenso antes de llegar a la superficie de Marte bajo la protección del mecanismo de amortiguación. El componente clave de este proceso es el "motor de empuje variable 7500N". A través del control del acelerador de un solo motor, el módulo de aterrizaje puede lograr una serie de acciones complejas como desacelerar, flotar, evitar obstáculos y aterrizar lentamente.
El "motor de empuje variable 7500N" de mi país se ha desarrollado desde 2008 y se han completado la verificación, el diseño, las pruebas de calificación, la investigación de procesos y las pruebas de alta temperatura del motor. En 2013, se utilizó por primera vez en Chang'e-3.
Ayudó a Chang'e-3 a aterrizar con éxito en modo estacionario de empuje inverso, convirtiendo a China en el tercer país en lograr con éxito un aterrizaje suave en la luna después de la ex Unión Soviética y Estados Unidos. Basándose en este motor, el Chang'e 4 convirtió en 2018 a China en el primer país en realizar un aterrizaje suave en la cara oculta de la Luna. En 2020, el módulo de aterrizaje "Chang'e-5" todavía dependía de la estabilidad del "motor de empuje variable 7500N" para aterrizar con éxito en la superficie lunar y regresar a la Tierra con suelo lunar.
Además del motor de empuje variable, dado que la distancia entre Marte y la Tierra es de cientos de millones de kilómetros, Chang también requiere los procedimientos de aterrizaje totalmente automáticos y las capacidades autónomas para evitar obstáculos necesarios para el aterrizaje de la sonda. 'e 3 a Chang'e 5. Se ha verificado durante la misión... No es difícil ver que la experiencia técnica de la misión Chang'e ha aumentado la confianza en el éxito de los tres principales objetivos de "Tianwen -1".
Desde los vuelos espaciales tripulados hasta la exploración lunar de Chang'e y la misión de la sonda Zhurong a Marte, los científicos de la Administración Espacial Nacional de China están avanzando estas tecnologías paso a paso. Especialmente cuando el presupuesto inicial es ajustado, todavía estamos logrando avances en tecnologías clave año tras año, realizando una gran cantidad de pruebas técnicas y avanzando constantemente de acuerdo con la planificación y la hoja de ruta del proyecto existente. Ya en 2004, la misión de exploración lunar de China se fijó el objetivo de completar el proceso de tres pasos de orbitar la Luna, aterrizar y devolver muestras para 2020. En junio de 5438 + febrero de 2020, la misión "Chang'e-5" finalizó y se completó con éxito. Además, ya en 2000, la misión de la estación espacial de China formuló planes para el lanzamiento de naves espaciales tripuladas, paseos espaciales de astronautas, el lanzamiento de un laboratorio espacial y el establecimiento de una estación espacial para 2022.
Sin excepción, estos planes son progresivos, estables y oportunos. En cuanto al "Tianwen-1", hereda la tradición del programa espacial chino. Aunque el proyecto se estableció oficialmente en 2016, las tecnologías utilizadas directa o indirectamente en el proyecto son la acumulación de más de diez años de exploración espacial por parte de la Administración Espacial Nacional de China. Basándose en estas tecnologías, los futuros planes espaciales de China, como el cohete superpesado Gran Marcha 9, la estación espacial lunar, el muestreo del suelo marciano y su regreso a la Tierra, y la exploración del borde del sistema solar, han atraído la atención de fanáticos del espacio. Después de todo, después del final de la Guerra Fría, el ritmo de la exploración espacial humana se ha desacelerado ligeramente y el rápido desarrollo de la ingeniería aeroespacial de China también ha inyectado un fuerte impulso a la exploración espacial en todo el mundo. Quizás la nueva ola de exploración espacial que esperan los entusiastas del espacio apenas haya comenzado.