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火星的诱惑:中国“天问”出征,跨越4亿公里的探索
2020-07-24 05:07
来源:21世纪经济报道
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  7月23日12时41分,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器搭乘着长征五号遥四运载火箭在海南文昌航天发射场发射升空,经过半个多小时的飞行后,探测器成功进入预定轨道,开启了漫长的火星之旅。

  “天问一号”的成功发射,拉开了中国航天事业的新篇章。事实上,“天问一号”并不是中国第一颗火星探测器,早在2011年11月9日,中国研制的“萤火一号”火星探测器曾搭载俄罗斯的火箭飞往火星,但遗憾的是,该发射任务以失败告终。

  随后,中国的火星探测沉寂多年,直至2016年1月,中国首次火星探测任务得到国家批准立项,今年4月,国家航天局宣布将我国火星探测任务命名为“天问”,这才有了今天的“天问一号”飞天。而与“萤火一号”相比,“天问一号”的意义将更加重大,因为它是中国自主发射的首颗火星探测器。

  按照规划,”天问一号“将通过一次发射任务便实现火星的环绕、着陆和巡视。如果成功,中国也将成为继美国之后,第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。

  人类对火星的探测起步于20世纪60年代,截至目前共实施了44次活动(2020年7月20日发射的阿联酋希望号火星探测器正在飞行途中),其中,美国21次,苏联/俄罗斯19次,日本1次,欧洲空间局2次,印度1次。在所有的任务当中,完全成功或部分成功的只有23次,成功率刚刚过半,因此,火星也被称作是“探测器坟场”。

  可即便如此,人类对火星探索的脚步却从未停止。这是因为在太阳系中,火星是距离地球较近且自然环境与地球最为类似的行星,所以它也成为人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。

  不仅如此,近年来在火星上取得的一系列重大发现,也更加坚定了人类前往火星的信念。比如人类发现了火星表面存在液态水、远古湖泊以及极光现象等。2018年,欧洲空间局的“火星快车(Mars Express)”更是在火星上发现了疑似地下水湖,这大大增加了火星存在更多水乃至生命的可能性。

  面对如此精彩的火星,中国航天自然也不会缺席。“天问”的名字源于屈原长诗《天问》,这首诗表达了屈原追求真理的探索精神,而这,也与中国深空探测系列任务的精神不谋而合。

  但是,火星探测之路任重道远,眼下的成功发射,只能代表“天问一号”的火星之旅顺利开启,接下来,“天问一号”在成功着陆火星之前,还有更多高风险的任务需要完成。

  火星的诱惑

  与月球相比,火星距离地球过于遥远。月球与地球的距离约在36至40万公里之间,而火星距离地球约在5600万至4亿公里之间,地火最远距离约为地月距离的1000倍。

  一位航天领域专家告诉21世纪经济报道记者,遥远的距离,给火星探测带来了诸多全新的挑战,首先是在发射窗口方面,理论上月球探测每个月都有发射机会,而火星探测每26个月才出现一次发射机会。

  其次,是地球与火星之间的无线电信号传输时延最长可达23分钟,而地球和月球之间的时延仅有数秒,这种差异对天地测控通信能力和探测器自主运行能力都提出了更高的要求。此外,因为火星距离太阳比地球和月球都更远,这使得火星探测器还要考虑能源获取及热控方面的问题。

  显然,与月球探测相比,火星探测的难度要提升好几个量级。而对中国来说,“天问一号”还要一步实现“绕、落、巡”三大任务,在此之前,还没有国家实现过这一壮举,所以,“天问一号”的任务难度是难上加难。

  火星探测任务可分为发射、巡航、进入下降和着陆、表面操作四个阶段。其中,进入下降和着陆阶段是风险最大的环节。

  航天专家庞之浩曾向21世纪经济报道记者表示,探测器进入火星轨道的难度好比从巴黎打一个高尔夫球,要正好落到东京的某个球洞里。

  尤其是在执行近火捕获、两器分离等轨道控制时,这些操作将决定任务成败且只有一次机会,但此时探测器距离地球约3亿公里,信号时延在15分钟以上,依靠地面进行控制已不现实,所以必须把所有数据都提前注入,让探测器自主完成。

  “这对探测器的自主管理和控制能力都是极大的考验。”有熟悉航天领域的人士告诉记者,这时候不能出现一丝偏差,在探测器切入火星轨道过程中,如果切入点离火星过远,则不能被火星的引力捕获而掠过火星,如果切入点离火星太近,则可能坠毁于火星大气层。

  而进入火星轨道后,下降和着陆阶段的难度将更大。正常情况下,探测器从进入火星大气层到最终着陆,只需要7分钟左右时间,这也被称作是“恐怖7分钟”。

  之所以恐怖,是因为这个过程中涉及到上千个复杂操作,而且和近火捕获一样,这些操作都只能通过预先设置,然后靠着陆器自主完成。而且与月球表面几乎为真空不同,火星表面拥有大气层,密度约为地球的1%,同时,火星上还存在强风和沙尘天气,这些都使得火星着陆更为困难,需要增加气动减速和伞系减速等环节。

  为了克服这些挑战,中国航天在过去几年作了无数的努力。其中,像成功完成的“鹊桥号+嫦娥四号+玉兔二号”的探月组合,也为火星探测打下了坚实的技术基础。

  2019年11月14日,中国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验在河北怀来地外天体着陆综合试验场完成,该试验成功模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降过程;今年3月,火星探测任务的无线联试也圆满完成。至此,“天问一号”整装待发。

  “天问”之旅

  据悉,“天问一号”任务主要由探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用五大系统组成。其中。探测器由环绕器和着陆巡视器组成,总质量约5吨。

  在环绕器中,配置了7台科学载荷,具体包括中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪。

  而着陆巡视器则是由进入舱和火星车组成。按照计划,进入舱将完成火星进入、下降、着陆任务,火星车则会在着陆区开展巡视探测。在火星车上,将配置多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机共6台科学载荷。

  按照计划,长征五号运载火箭将带着“天问一号”飞行约7个月后抵达地火转移轨道,2021年2月中下旬,探测器与运载火箭进行分离,然后经过中途修正,在近火点附近实施制动,实现火星捕获。

  紧接着,“天问一号”会进入周期约10个火星日的环火椭圆轨道,再择机实施轨道机动,然后进入周期约2个火星日的椭圆停泊轨道,这个过程需要约2个月。

  接下来,预计在2021年4月23日,“天问一号”会在完成着陆区预先探测和着陆点调整后,择机释放着陆巡视器,而环绕器会随即进行轨道调整,进入中继通信轨道,为火星车提供中继通信链路,兼顾开展科学探测。

  着陆巡视器与环绕器分离后,进入火星大气,通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲,实现软着陆。然后火星车会与承载平台分离,在火星表面开展巡视科学探测。

  过去,成功着陆的探测器都在火星获得了回报,比如“水手9号”发现了太阳系最高的奥林帕斯山和最长的水手峡谷;“全球勘探者号”发现了冰川、湖泊和水沟存在的痕迹;“奥德赛号”发现了广泛存在的地下水分;“火星快车号”发现了巨大的地底湖泊;“好奇号”发现了甲烷类有机物存在的直接证据。

  这次“天问一号”前往火星,也带着五项科学目标:一是研究火星形貌与地质构造特征。探测火星全球地形地貌特征,获取典型地区高精度形貌数据,开展火星地质构造成因和演化研究。

  二是研究火星表面土壤特征与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布,搜寻水冰信息,开展火星土壤剖面分层结构研究。

  三是研究火星表面物质组成。识别火星表面岩石类型,探查火星表面次生矿物,开展表面矿物组成分析。

  四是研究火星大气电离层及表面气候与环境特征。探测火星空间环境及火星表面气温、气压、风场,开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。

  五是研究火星物理场与内部结构,探测火星磁场特性。开展火星早期地质演化历史及火星内部质量分布和重力场研究。

  有航天从业者告诉记者,中国首次火星探测任务如果圆满完成,无疑是中国航天的一个里程碑时刻,但也不宜过度夸大,因为它不能代表中国航天技术已经实现弯道超车,这实际上是将中国过去数十年的差距补了上来。

  但“天问一号”的成功,将代表中国具备了进一步开展深空探测的基础能力,站在火星的肩膀,中国也可以开始规划更远的太空旅程。而针对火星,下一目标便是在2030年之前突破难度更大的采样返回。

  现在,我们需要给“天问一号”一些时间,等待它明年传来捷报。

 

  画外音

  盛夏的海南,热浪袭人,但在距离文昌火箭发射场不远的淇水湾海滩上,仍有不少观众顶着烈日等待观看“天问一号”发射。

  这些观众中,有来旅游的游客,有特地前来的天文爱好者,也有学校组织前来的学生团队。一位来自广州的游客告诉记者,他是来海南旅游的,后来知道有火箭发射,所以抽出一天的时间来观看。在此之前,该游客只在电视上看到过火箭发射。

  因为不熟悉现场情况,虽然火箭预计12点多发射,但该游客在早上9点多就来到了现场。他向记者表示,海滩上有很多人比他来得还要早。

  人大附中三亚分校的一位老师带着几十位学生前来观看。他告诉记者,对于这种航天发射,只要允许观众观看,他们学校都会组织学生过来。去年,他就曾带过另外一个学生团队来过这里。

  这位老师表示,带学生现场看火箭发射,对学生的好奇心和兴趣培养都有很大的作用,因为现场的感受肯定比在书本上或者电视机前更深刻。

  而一位曾多次前来观看发射的天文爱好者告诉记者,每次观看火箭发射都十分激动,尤其是点火发射的那一刹那,总会有热泪盈眶的冲动。

  这位天文爱好者还表示,受疫情的影响,今天的现场人数明显比去年“胖5”复飞时少了一些,“当时沙滩上还有自发组织前来的乐团演奏,场面十分热闹”。

  另外,21世纪经济报道记者在淇水湾沙滩还注意到,“天问一号”的发射也带动了不少商业活动,比如现场,就有手表、汽车、地产、游戏等行业的品牌商搭建了活动展台。

  实际上,航天事业作为国家项目,与普通群众相关的内容十分有限,但是,就像比赛场上需要观众一样,人们对航天事业的关注与热情也能够鼓舞航天人。

  而为了增加公众对航天事业的参与感,很多航天项目都会进行征名活动,比如中国火星探测任务的名字“天问”,就是从全球征集而来。据记者了解,接下来,国家航天局探月与航天工程中心还将联合百度App启动对中国第一辆火星车的全球征名活动,中国首辆火星车的名字是什么,让我们拭目以待。

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