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中国首次火星探测之旅正式开启 为何偏偏选中它?

时间:2020-07-24 7:26:57 点击:

    本报讯:7月23日,我国首个火星探测器天问一号由长征五号运载火箭成功发射。这标志着中国首次火星探测之旅正式开启。

  成功发射,只是天问之旅“万里长征第一步”,接下来,天问一号还要经过7个月左右的飞行,才能抵达火星。

  火星,我们来了!

  从“三环”到“四环”

  在太阳系,八大行星以太阳为核心公转,形成了8个环形轨道,其中地球位于“三环”,火星则在“四环”运行。天问一号探测器要想冲出地球抵达火星,绝不是简单地从“三环”跨越到“四环”,而是长途跋涉几个月,直线距离突破4亿公里的旅程。

  北京航天飞行控制中心首次火星探测任务型号总师崔晓峰告诉记者,天问一号要经历发射入轨段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段以及离轨着陆段。

  这其中,地火转移段指的是从探测器与火箭分离后,到进入火星引力影响球的飞行阶段。这一阶段是天问一号任务里耗时最久的部分,需要近7个月之久。

  换句话说,从2020年7月23日发射成功算起,天问一号抵达火星轨道的时间大约在2021年2月前后。

  崔晓峰说,经过亿里迢迢的奔袭后,天问一号进入火星引力影响球,渐为火星所捕获。探测器发动机点火进行近火制动,将探测器的飞行速度降下来,俯下身段,成功让火星将自己“抓住”。

  “一旦成功被火星捕获,探测器就会在火星轨道运行,成为一颗‘绕火卫星’,此后进入火星停泊段。”崔晓峰说。

  按照他的说法,火星停泊段并不是停泊在火星轨道上不动,而是在一个极轨道上绕火飞行,这个阶段要持续几个月,直至探测器降轨后转入两器分离阶段。

  既然已经到了火星轨道,为何还要绕飞两个多月而不是直接落“火”?

  “在航天任务中,没有哪一克燃料是白白浪费的,也没有什么决定是毫无意义的。”崔晓峰说,这个阶段的绕火飞行就是为了帮地面控制环绕器上的高分相机,对首选着陆区进行详细勘查并拍照成像。

  经历过多圈精准的成像后,地球上的飞行控制人员看清了“落脚点”,才能更好地控制天问一号准确着陆到理想区域。

  看清目标以后,天问一号就要开始离轨着陆。这一阶段是火星探测任务成败的关键,尤其是从进入火星大气层到着陆,有一段闻名世界的“恐怖7分钟”,别看时间短暂,但在世界上现有的40多次火星探测任务中,能够安全度过这7分钟的仅有9次。

  崔晓峰说,我国要在首次火星探测任务中就克服这一艰难的过程,并让火星车在火面持续工作3个月,所面临的挑战是前所未有的。

  为什么要去火星

  挑战这么大,难度这么高,为何还要去火星?世界那么大,为何偏偏选中它?

  这并非2020年这个夏天两三个国家的一时兴起,而是自上世纪60年代人类探测行星以来一个共同选择:几十年过去,人类共往火星发射40多颗探测器,其数量仅次于地球,也因此,火星成为整个太阳系最为热门的“行星旅行地”。进军火星的意义何在?探索火星将会带来怎样的价值和意义?

  这一切还要从火星是“谁”说起。

  在太阳系,火星是自然环境里与地球最为接近的星球,两者几乎都形成于约45亿年前,组成成分也相同,有核、幔、壳。火星与地球有着相似的自转周期,一个火星日大约是24小时39分钟,不仅如此,它还和地球一样有四季更迭。

  “火星与地球最为相似,探测并研究火星对于认识我们人类的家园——地球,有着不可替代的作用。”中国首次火星探测任务工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠说。

  当然,从人类目前掌握的有限情况看,两者之间的不同显而易见。北京天文馆副研究员刘茜说,从外型上看,火星个头更小,它的半径约为地球的一半,体积为地球的七分之一,大气密度为地球的1%。

  与我们这个71%海洋覆盖率的蓝色星球不同,火星表面呈现出红色,它最明亮的时候犹如一团火球。

  按照天文学家的说法,这一抹红色实际上并不是真正的火焰,火星上温度反而极低,接近于地球的南极。呈现红色的原因,是火星的土壤富含氧化铁,就像是土地生了锈。这种土壤的形成,是风与水的双重侵蚀作用产生的。由此可见,火星上曾经存在过大量的水和大气。

  这就意味着,火星上有可能出现过生命。那么,火星是地球的过往,还是我们未来的归宿?这个问题勾起了科学家强烈的好奇心。

  国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言在接受记者采访时说,以往的探测发现了水存在的证据,火星上是否存在孕育生命的条件,以及火星是地球的过去还是地球未来,成为火星研究的重大科学问题。研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。

  而这些问题,只有人类或人类的探测器“身临其境”,才能一步步得到解答。正因如此,人类火星探测任务几乎都受到大范围的关注。

  如今这一次,是来自中国的天问一号。

  不到50%的成功率

  不到落“火”的最后一刻,中国航天人被天问一号牵动的紧张神经很难完全放松下来。

  耿言说,几十年来,人类火星探测成功率不到50%。苏联在1960-1988年间进行了近20次探测任务,但没有一次取得完全成功。在20世纪90年代以后,成功率才达到三分之二左右。

  由中国航天科技集团研制的天问一号探测器,包括环绕器、着陆器和巡视器三部分,目标为一次发射实现“绕着巡”三个探测任务,这在国际上尚属首例。

  “天问一号并没有走美国、俄罗斯等在火星探测上的‘老路’,因此这种挑战,增加了任务难度。”中国航天科技集团五院天问一号探测器研制专家说。

  据五院专家介绍,火星大气密度仅为地球的1%左右,可以利用它对探测器进行减速,但过程中会产生高达2000摄氏度的热量。火星着陆器既需要隔热罩隔绝热量,还需要配备减速、降落伞进一步减速。

  然而,这些都不足以让探测器减速到可实现软着陆的水平,另需要反推发动机进行减速,实现悬停、避障、降落。简单来说,就是“着陆难度巨大”。

  此外,着陆区域与时机的选择,也是一大挑战。五院专家告诉记者,火星表面沟壑纵横,砂砾遍布,对着陆点的选择和火星车的路径规划提出了更高的要求。由于长期风化,缺乏温室效应又让火星不同区域气压差很大,进一步导致火星表面风力强劲,经常出现沙尘暴。

  时延问题也备受关注。崔晓峰说,火星探测器距离地球最远可达4亿公里,一条信号往返地球与航天器最多可达44分钟,超大的时间延迟让地面无法沿用以往任务中的实时比判闭环控制模式,难以在确定指令发送执行情况后根据指令执行效果实施后续动作。

  据他介绍,为了克服这一阻碍,北京飞控中心采用了超大变时延开环控制技术,设计了全新的超远距离测站捕获模式。比如,当飞控人员发令时,瞄准的不是航天器当前的位置,而是它在20分钟后接收指令时所到达的位置,这样当它就位后就可以收到。

  尽管火星车有一定的自主能力,但是它要前往的目的地、选择的路径以及路途中的各种动作,都需要地球上的工作人员提前告诉它。

  在这方面,我国飞控团队就要扮演好“先知”的角色,通过对当前火星车所处环境的掌握、分析和规划,预测路径的安全性,否则石块沙丘都可能对它造成致命伤。

  崔晓峰说,如今,随着天问一号进入地火转移轨道,飞控团队也已经完成火面遥操作工况评估与状态预测技术、深空探测干涉测量技术等难点攻关。他们期待着天问一号抵达火星的好消息,那时,这群地球人也将迎来最令人激动的、也是难度最大的“火星闯关时刻”。

  火星的神秘面纱,能否被来自中国的探测器揭开,我们拭目以待。

作者:不详 来源:网络
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