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天问一号与NASA探测器互拍火星车,间隔仅4天,成像差异显著

作者:转载     发布时间:2022-5-26 点击数:392

 

今年上半年我国天问一号环绕器与NASA的MRO火星勘测轨道飞行器分别对两家的火星车(祝融号与毅力号)进行了高分辨率成像,成像时间间隔仅4天,当真是礼尚往来,由此也引发了关于两家火星高分辨率相机的讨论。

3f677776b36f447b8590d78ce1231bcb.jpeg天问一号环绕器对NASA毅力号火星车及其着陆点成像

46772b93375f434a84649f2cd38dd1ae.jpegNASA的MRO火星勘测轨道飞行器对祝融号火星车成像

天问一号环绕器配置离轴三反设计的HiRIC火星高分相机,MRO火星勘测轨道飞行器配置的是卡塞格林主次镜+离轴第三镜方案的HiRISE火星高分相机。

由于上述两图皆非原图,所以拿两家拍摄祝融号火星车车辙的图像来对比,天问一号环绕器成像画面难以辨识两道车辙的间距,而MRO火星勘测轨道飞行器可以直接看见两道车辙

23c5d70739e146a990436fba1e4a8e2c.jpeg天问一号环绕器(左)与MRO勘测轨道飞行器(右)对祝融号车辙成像

这一差别是否表明天问一号环绕器高分成像功能弱于MRO火星勘测轨道飞行器?答案并不是这么非黑即白

地外天体遥感空间相机与地球遥感空间相机有着诸多显著的不同之处,最直接的区别是地外天体探测器需要携带大量的燃料以及其他类型的遥感探测设备,因此留给光学相机的安装空间与重量资源都有着严格的限制。

2000b54a7e0d4bcda09a11d0c500f878.jpeg天问一号火星探测器

以天问一号探测器为例,发射重量约5吨,是人类成功发往火星环绕轨道规模最大的探测器,由环绕器与着陆巡视器两部分组成,环绕器重约3.7吨,着陆巡视器重约1.3吨,探测器在地火转移飞行期间有4次轨道修正与1次深空机动,抵达火星后还有近火制动捕获,上述任务都需要环绕器消耗大量的燃料,尤其是近火制动,轨控发动机需要持续点火15分钟,燃料需求非常大。

据统计天问一号环绕器总计加注了2.479吨燃料,由此可知环绕器的干重约为1.2吨,与此同时它还需要携带多达7台科学探测载荷,同时环绕器自身也有结构与其他设备重量,可以想象火星高分相机的重量与尺寸限制有多么严苛。

11c1630e1ffc416aba0e03d2b99bdb41.jpeg天问一号的环绕器与着陆巡视器结构示意图

工程总体对天问一号火星高分相机的重量指标严格限制在50公斤以内,最终产品重量做到了43公斤,为了降低重量,该相机采用了更轻质的碳化硅反射镜,以及碳基复合材料机身。

与之对比,MRO火星勘测轨道飞行器并没有着陆巡视器,燃料需求远低于天问一号环绕器,HiRISE火星高分相机的重量是65公斤

a487635ea6e44bbc837169985d435bcb.jpegNASA的MRO火星勘测轨道飞行器

两台设备重量的差别足足有22公斤,除了重量限制,还有包络尺寸的限制,工程总体对天问一号火星高分相机包络尺寸的限制是不大于964mm×631mm×832mm。

在重量与尺寸的双重约束下,天问一号环绕器火星高分相机的口径是0.387米,而MRO火星高分相机的口径是0.5米。

纵然有如此严苛的研制条件约束,天问一号火星高分相机265公里高度火面像元分辨率也达到了0.5米,居于世界第二,MRO火星勘测轨道飞行器高分相机300公里高度火面像元分辨率是0.3米,居于世界第一。

44a6a6ffa6d448bb833c30d53b5a0dd7.jpeg天问一号环绕器配置的全国产HiRIC火星高分相机

4117cf2324fa4b868edbeb14ff33bafe.jpegNASA的MRO火星勘测轨道飞行器配置的HiRISE火星高分相机

地外天体的高分辨率成像属于高价值遥感产品,科学家通过高分影像可以判定地质形态与地层、判断地表成分属性、研究地形地貌特征,甚至可以进一步精细观测岩石特征、精确分析地质演化过程,同时还能帮助着陆器选择最佳着陆点,并为巡视器规划行进路线。

价值越高的东西也意味着越稀缺,人类在过去数十年的探火任务中获取的火星高分影像所占火星表面积的比例还不足2%,这是因为遥感相机与生俱来的一对矛盾,就是空间分辨率与成像幅宽的矛盾,分辨率越高成像幅宽通常难以加大,比如MRO火星勘测轨道飞行器火星高分相机的成像幅宽仅有不足5公里。

d9f9364ebea540efab362c3211a9d501.jpeg成像幅宽决定了作业效率

然而,成像幅宽却是天问一号高分相机的独特优势,该相机采用离轴三反设计,光学系统由主镜、次镜、三镜组成,可对光路进行折叠,进而缩短了相机的轴向尺寸,视场角达到了2°,成像幅宽则是9公里(近火点),几乎是NASA火星高分相机的2倍,居于世界领先水平,成像幅宽越大意味着作业效率越高,可以在相同周期内获得更多的火星高分影像。

6e20982aeb3a431fbeb2a87e5c681d50.jpeg天问一号高分相机在距离火星表面约340公里左右拍摄的0.7米分辨率全色图像

为什么我们对成像幅宽的要求这么高呢?这也是需求使然,由于我国在火星资产相对较少,只有一个遥感探测器(天问一号环绕器),而该探测器又肩负有对祝融号火星车进行中继通信的服务,所以不能进入近火点较低的圆轨道,比如当前运行的遥感使命轨道,近火点265公里,远火点达到了1.07万公里,整个轨道周期大部分弧段都高于265公里,轨道高度越高火面像元分辨率也会越低,因此在一系列约束条件下对分辨率极致追求已经没有意义。

6a4f994b37f44237bf572de6b851a05d.jpegMRO探测器高分相机在距离火星表面约267公里拍摄的0.5米分辨率全色图像

站在天问一号火星高分相机的基础上,嫦娥七号月球探测器的高分辨率立体相机还将延续大幅宽优势,工程总体要求后者的成像幅宽不低于18公里,这一指标将是天问一号火星高分相机的两倍。

“中国航天用上限去追赶美国航天的下限”,这是近一段时期比较抓眼球的关于世界航天两个头部玩家的评语,这一结论不仅无视了两家发展起点的悬殊差距,更无视了中国航天自起跑伊始就一直保持的空前的发展加速度。

78ff9e55ba32431198dc06584810826b.jpeg我国第一颗人造地球卫星发射任务画面

发展起点差距指的是,当我们发射第一颗运行于近地轨道重量不足0.2吨的人造地球卫星时,NASA已经完成两次载人月球登陆任务,登月宇航员们乘坐的是一款近50吨级阿波罗飞船。这一起点差距的背后是双方工业化水平的巨大鸿沟,如果用时间来量化,用百年差距来形容也丝毫不夸张。

4030fdbafb1446c7866598ef74d54936.jpeg阿波罗12号登月任务中,宇航员徒步来到勘测者3号无人探测器着陆点。

造成起点差距悬殊的原因有着错综复杂的历史经纬,但是敢于战天斗地的我们还是找到了一条足以引领人类未来的光明之路。

虽然起点差距悬殊,然而就在完成第一颗人造地球卫星发射任务之际,我们的航天人就已经开始筹划曙光一号载人航天计划,并付诸实施,虽然最终基于当时的国力因素考虑无疾而终,但这一计划留下的技术遗产对后来载人航天工程的上马实施奠定了坚实基础。

c3095e7d929d4443a517027b3a1ba4b1.jpeg曙光一号载人航天计划

今时今日的我们,天问一号探测器一步实现绕落巡火星,一步跨过NASA半世纪探火技术成就,具有国际领先水平的天宫空间站胜利在望,嫦娥探月工程在绕落回三步走任务胜利收官的基础上,作为21世纪的探月先锋力量凭借“探月四期”、“载人月球”、“国际月面科研站”等大项任务仍将持续引领人类的探月事业,基于14亿人口的空间应用需求,商业航天发展正在驶入快车道,运载火箭年发射量多次拿下世界第一桂冠。

aaa2c879b7a247f1aa148f54d7e9cd93.jpeg天宫空间站天和一号核心舱

中国航天从过去的二流三流梯队已经无可争议地进入第一梯队,由“大”向“强”转变的历史进程无可阻挡。

诚然,作为航天后起之秀,我们仍然存在着一系列这样那样的问题,但这不是面对历史面对事实面对未来而妄自菲薄的理由。


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