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天问一号高分相机世界领先,为什[黑白高地猫多少钱]

天问一号高分相机世界领先,为什[黑白高地猫多少钱]的作者邹昆明 邹昆明 发布时间: 2022-06-21 08:04:08 猫的品种63人已围观

简介由航天科技五院抓总研制的天问一号火星探测器自去年7月23日发射入轨以来至今已在轨飞行约198天,此时此刻该探测器已经进入火星希尔球范围,意思是指

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天问一号高分相机世界领先,为什么首张火星照片却是黑白的?

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由航天科技五院抓总研制的天问一号火星探测器自去年7月23日发射入轨以来至今已在轨飞行约198天,此时此刻该探测器已经进入火星希尔球范围,意思是指它已经进入火星引力范围,探测器受到火星引力摄动影响。

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天问一号实时追踪

目前天问一号距离地球约1.84亿公里,距离火星约90万公里,在此之前探测器抵达距离火星约220万公里时回传了我国第一张抵近拍摄的火星照片,照片中火星阿茜达利亚平原、克律塞平原、子午高原、斯基亚帕雷利坑、水手谷等标志性地貌清晰可见。

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天问一号拍摄的首幅火星照片

话说为什么如此重要的一张火星照片是黑白图像呢?是不是相机水平不够?

答案当然不是,天问一号浑身上下携带了一大票光学相机设备,走到哪里都不会忘了拍照,其中不乏具有世界领先水平的高分相机。

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分离测量传感器拍摄天问一号

轨道器搭载的六大载荷里有两个都是光学成像设备,分别是中分辨率相机与高分辨率相机,其中高分辨率相机近火点300公里轨道高度成像分辨率可达0.6米,超过了NASA的“火星全球勘察者号”与欧空局“火星快车号”,与NASA最先进的“火星侦查轨道号”处于同一水平,综合技术指标达到世界领先水平。

既然如此先进,为何却是这样一个成像效果呢?

首先,要注意到这张照片是天问一号对火星拍摄的首幅图像,这就不会是单纯的旅拍图像,而是功能性图像。还记得去年7月27日天问一号在距离地球约120万公里处使用轨道器搭载的光学导航敏感器拍摄了地月合影照片。

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天问一号拍摄的地月合影

光学导航敏感器也被称为星敏感器,是天文导航系统的重要组成部分。

深空探测飞行距离十分遥远,在轨时间长,探测器还需要进行轨道保持、姿态机动等操作,因此对轨道精度以及自身姿态控制有着很高的要求。单纯依赖地面测控站存在测角精度低、时延长、无法全时段定轨导航等缺陷,因此利用光学导航敏感器加强自主导航能力就非常必要。

光学导航敏感器工作原理是通过拍摄目标天体或目标天体周围的发光天体作为导航星,尔后将成像信息与已知天体星历和姿态信息进行匹配解算,最终得出探测器在宇宙空间的位置、速度等测量数据。

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深空中的天问一号

早期人类航天活动就已有很多光学导航案例,例如阿波罗-13号宇航员手动拍摄地球与月球照片,人工计算轨道。而天问一号初入火星用光学导航敏感器拍摄火星照片进行天文导航也是必须要做的功课。

因此光学导航敏感器不需要较高的图像分辨率,也无需彩色成像,这是一种功能成像模式。

光学导航敏感器的一个作用就是对火星定向,确定指向后轨道器高分辨率相机开机,这就有了文章开篇的那幅黑白火星照片。但要知道此次成像工作是在距离火星约220万公里处,近6倍于地月距离,在这一距离想获得高分辨率成像图像对于如今的人类来说还做不到。

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天问一号搭载的火星高分相机

例如我国高分四号,这是一颗部署于距离地球约3.6万公里静止轨道的高轨光学遥感卫星,分辨率50米,这一数据代表着过去一段时期的人类最高水准,如果这颗卫星部署在距离地球五六百公里的近地轨道,成像分辨率就可以与锁眼侦察卫星媲美。

由此可见光学成像设备对于距离有多么敏感,另外还要强调一点,光学黑白成像模式具有相较于彩色成像更高的辨识度,工程应用价值更高,所以高分辨率相机通常都是黑白成像

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NASA火星全球勘察者号黑白成像

天问一号当然也有彩色成像系统,但是目前探测器已经到了争分夺秒的时刻,所有的工作都要聚焦接下来的近火制动,次要工作就要往后安排。大家多一点耐心等待,以后火星彩色照片会多得让你视觉疲劳。

目前天问一号已经完成四次轨道中途修正与一次深空机动,下个星期的本月10号左右农历新年来临之际它将迎来一个重大任务节点:近火制动。

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天问一号即将实施第一次近火制动

近火制动期间天问一号轨道器配置的3000N轨控发动机将进行长程点火制动减速,进而切入环绕火星运行的大椭圆轨道,成为人类有史以来进入火星轨道的最大质量探测器,为亿万国人献上一份特殊的新年贺礼。

天问一号为什么是人类最大质量规模的火星探测器?因为它的使命艰巨且光荣,通过一次任务完成对火星的“绕、落、巡”探测,这在人类火星探测历史上还是第一次。

迄今为止仅有大洋彼岸一个玩家实现了火星着陆与巡视探测,而我国第一次独立探火就瞄准殿堂级高难度科目,这是深空探测实力的厚积薄发。

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天问一号近火制动

天问一号由轨道器与进入器两大结构组成,进入器内部则是着陆器与巡视器,总质量规模约5吨。

在完成第一次近火制动进入火星捕获轨道后,紧接着3000N轨控发动机还将在捕获轨道远火点点火实施第二次近火制动,也被称为远火面调向机动,大幅度改变探测器环火轨道倾角,进入到一条停泊调向轨道,尔后再次实施第三次近火制动进入目标停泊轨道。

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远火点机动

有人说作为第一次独立探火任务只要天问一号能进入火星轨道就满足了,然而对于我国航天人而言没有主攻与助攻之分,因为全都是主攻任务。

的确,天问一号作为第一次自主火星探测任务有着太多未知风险,远在数亿公里之外的我们也没有第一手火星详细数据,知识结构存在空白。

为此我们做了两手准备,首先利用嫦娥探月工程国际合作成果换取了欧空局的全套火星环境数据支持,另一方面就是从任务流程设计上着手,天问一号将在停泊轨道运行两个多月,在此期间中分辨率相机与高分辨率相机将陆续开机,目的是对火星着陆区进行高分辨率成像工作。欧空局转赠数据与天问一号现地获取数据相互印证匹配,这样一来火星地理数据就有了双重保障

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天问一号将对着陆区进行高分辨率成像

除此之外,天问一号着陆探测也选取了海拔更低的平原地区作为着陆区,更低的海拔高度意味着留给进入器的着陆时间更充裕,进入器气动减速、降落伞减速、动力减速有更充足的时间冗余。天问一号整个着陆时间是8分钟,比起通常着陆火星的黑色7分钟还多一分钟,为最终完全胜利又多了一份保障。

既有任务设计保障更有扎实的功力根基,首先天问一号保障条件之所以能够这么充分也得益于长征五号大火箭的成熟,使得我们拥有了大质量航天器一次发射入轨火星的能力,有人说没有长征五号利用长征三号乙两次发射不是也可以?要知道两次发射的探测器研制成本要比一次高得多。

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发射天问一号的长征五号遥四运载火箭

扎实的根基还体现在火星进入器的设计与制造上,我国不仅拥有丰富的返回式卫星研制经验,至今仍然保有返回式卫星研制生产链,神舟载人飞船更是实施了7次成功的载人天地往返任务,去年5月5日又成功发射了旨在用于载人登月任务的新一代载人飞船试验船,该飞船是人类首个具备太空打水漂能力的倒锥体大质量返回舱,最终创造了10.8环的高精度落点成绩。

我国天体进入技术已经炉火纯青,不仅掌握了各种类型进入器的设计制造部署能力,而且在诸如新一代载人飞船倒锥体返回舱领域达到了世界领先水平,站在这样一个基础上天问一号的表现就更值得期待。

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新飞船倒锥体返回舱

天问一号进入器采用球头双锥体结构设计,并配置有配平翼,这是人类弹道升力体+配平翼方案在火星登陆任务中的首次工程应用。

球头双锥体进入舱与新一代载人飞船试验船的倒锥体返回舱同属升力体式结构,这种结构优势是升力系数高,非常适合气动减速,但也有无唯一配平点的缺点,多个气动配平点意味着姿态控制难度的增加。

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天问一号球头双锥体进入器

气动减速对于火星登陆任务来说是刚需,这就注定了需要升力体式的进入舱结构,克服多个气动配平点缺陷可以增强进入舱RCS姿控动力系统能力,但这种能力并不是万无一失,最有效手段是减少进入舱的气动配平点,最好是只有一个配平点。

例如,神舟载人飞船返回舱与嫦娥五号返回器的钟形体结构加稳定耳片就是唯一配平点的进入舱,这种结构即便姿态控制动力系统失效,也能在唯一配平点助力下完成姿态复位,有鉴于此天问一号进入舱加入了配平翼设计,使得原本有多个配平点的球头双锥体进入舱大幅度减少了气动配平点,气动减速成功更有保障。

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嫦娥五号钟形体返回器

完成升力控制后进入舱将打开伞舱盖拉出引导伞与主减速伞进入伞系减速段,尔后进入舱抛离返回舱大底露出着陆器,到达指定高度后着陆器与巡视器组合体与进入舱背罩分离。

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进入器降落全过程

随后7500N变推力发动机点火进入动力减速段,这款动力曾经在嫦娥探月工程中屡立功勋,助力嫦娥登月三战三捷。

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嫦娥登月器使用的7500N变推发动机

在7500N变推力发动机助力下着陆器与巡视器组合体将在距离火面100米处悬停,此时垂直速度为零,悬停阶段着陆器搭载的导航系统将确定安全着陆点,在导航信息导引下着陆器进行横向机动规避,尔后变推力发动机逐渐调低推力进入缓速下降段,并在距离火面约2至4米处关机,最后的着陆冲击能量由高效吸能合金着陆支撑腿吸收。

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地外天体试验场模拟天问一号缓速下降

着陆火面后信标机将第一时间回传着陆信号,并建立地火通信链路,运行于中继通信轨道的轨道器将发挥信号中继传输功能,轨道器大口径天线的数据传输效率自然要比着陆器与巡视器更高。

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轨道器大尺寸天线

建立通信链路确认无误后,巡视器将自主驶离着陆器开始巡视探测,巡视探测开始前两器互拍相信也是必不可少的传统任务,着陆器搭载有监视相机,巡视器也有导航地形相机,互拍硬件条件是具备的。

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巡视器导航地形相机

天问一号火星巡视器同样是我国科技实力的集大成者,其综合性能超越了NASA的勇气号与机遇号,例如巡视器最大速度、导航速度、越障高度、爬坡角度四大行驶性能上均实现了超越,部分性能接近NASA最先进的好奇号与毅力号,同时基于率先应用的火星车主动悬架技术具备了蠕动与蟹行功能,这是好奇号与毅力号所不具备的。

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天问一号火星车地面测试

蠕动就是通过悬架抬升进行越障行驶,也可以通过蠕动功能摆脱一些行驶险情,蟹行意思是它不仅能直着走还能横着走,机动避障技术实力已经达到世界领先水平。

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天问一号地面测试用车

以超越勇气号与机遇号为基准点计算,天问一号绕落巡火星任务的最终成功意味着我国火星探测一举追平了大洋彼岸近半世纪的探火成绩。虽然还没有超越好奇号与毅力号,但第一次就能有如此骄人的战绩,发展加速度的能量之大由此就能管中窥豹,而引领超越的那一天也将不再遥远。

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