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时政热点:揭秘天问一号的火星之旅

2020-07-24 11:41:19 | 来源:光明日报
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7个月,这是一趟漫长又艰难的旅程。

山东牛策略人类对火星的探测起步于20世纪60年代,目前已实施40余次探测任务,但只成功20余次,成功率约50%。

荧惑,这是中国古人对这颗红色星球的称呼。“荧”代指火星由于土壤富含氧化铁而发出的红光;“惑”则出于古人对火星运行缺乏规律而感到的困惑,由于轨道和公转速度的差别,从地面上来看,火星运行时快时慢时明时暗,有时逆行也有时顺行,令人捉摸不定。

是的,正如这个名字一样,去往火星的漫漫长途也充满不确定性。在接下来的7个月里,天问一号需要迎难而上。

“发射成功只是第一步,后面的路还很漫长。”国家航天局探月与航天工程中心深空探测工程总体部部长耿言说。

火星探测难在哪儿

1962年,人类迈出火星探测的第一步。这一年,苏联发射“火星1A号”探测器,但在飞往火星的途中与地面失去联系,最终失败。此后,苏联的“火星1号”与美国的“水手3号”等火星探测器探测任务也宣告失败。

直到三年后,美国的“水手4号”首次完成火星飞越,成为首例成功探测火星的人造卫星。此后,包括“水手6号”在内的多颗探测器顺利完成任务。尤其是1971年发射的苏联“火星3号”探测器,成功登陆火星。20世纪90年代以后,火星探测更加频繁,“火星快车”“勇气号”“机遇号”“好奇号”等多颗探测器飞向火星。然而,火星探测的成功率到目前只有50%左右。

火星探测到底难在哪儿?

首先是距离远。火星距离地球最远时有4亿公里,最近时大约5500万公里。作为对比,月球离地球最近时36万公里,最远时40万公里。也就是说,即使火星离我们最近时,也要比月球远一百多倍。人类探测器从地球飞到火星,大约需要7个月的时间。

山东牛策略由于距离遥远,地球与火星之间的信号传输会有长时间的时延。“当火星离我们最远时,从地球发一个指令,要20多分钟才能到达火星。即使在距离最近时也要几分钟才能到,远比从地球上发指令到月球上的时间长得多。”国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰解释,时延比较长,给火星探测的测控通信带来很大挑战。探测器在火星着陆时间仅7分钟左右,由于时延,无法实时操控,探测器必须自主完成着陆。

其次是发射窗口小,机会少。刘彤杰说,要让航天器飞4亿公里,“人类现在还没有能力做到,而且也没有必要”,我们可以等火星距离地球较近的时候发射探测器。但受天体运行规律的影响,这样的发射机会很少,大约每隔26个月才有一次,每次有一个月左右的发射窗口,“比探测月球的窗口要小得多,严苛得多”。

再次是着陆难度大。火星上存在稀薄的大气,探测器着陆时必须穿过大气,这个过程会产生几千摄氏度的高温。着陆时既需要隔热罩,也需要配备降落伞进一步减速。而且,随着探测器往下降,其推力、方向会发生变化。“不像在月球上探测,不用降落伞,用反推发动机就可以,在火星上着陆需要用变推力发动机。”刘彤杰说,减速下降和着陆火星的过程,被称为“黑色7分钟”。

此外,前往火星还需要推力更强的运载火箭。天问一号任务是我国长征五号系列运载火箭首次应用性发射,将探测器直接送入地火转移轨道。“以前我们探月,最远是到地月轨道,处于地球的引力圈。现在要到火星,不仅有地球,还有太阳和火星的引力影响,因此这次火箭系统有很大的变化。”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解释。

一次实现“绕、着、巡”,难上加难

火星探测很难,要一次实现“环绕、着陆、巡视探测”(以下简称“绕、着、巡”),难上加难。

很多人对我国探月工程“绕”“落”“回”三步走战略很熟悉,这些目标是通过实施多次探月任务而分步骤实现的。面对难度更高的火星探测,我们却要多步并作一步走。

山东牛策略据国家航天局介绍,我国首次火星探测任务天问一号探测器由着陆巡视器(进入舱和火星车)和环绕器组成。此次任务要一次实现“绕、着、巡”三步走,即对整个火星进行全球观测、成功着陆火星,以及火星车进行巡视探测。目前,国际上只有美国实现了火星环绕、着陆、巡视探测,但不是一次实现,而是分几次任务实现的。

据介绍,天问一号飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等六个阶段。探测器发射后,将被火箭送入地火转移轨道。器箭分离后,探测器的太阳翼和定向天线将相继展开,在测控系统支持下朝火星飞去,约7个月抵达火星。

在这个漫长的旅途中,探测器将进行深空机动和中途修正,即不断调整飞行方向。“因为发射的时候方向可能对得不是非常准,飞行的过程中会调整方向,更准确地飞向火星,然后和火星交汇,由火星的重力来捕获它。”刘彤杰解释。

山东牛策略探测器进入环火轨道并经过制动后,要进行2至3个月的环绕飞行,然后择机进入火星。在着陆前,会在着陆区上空对着陆区开展探测。接着,探测器择机实施降轨机动,着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道,为着陆过程提供中继通信。着陆巡视器进入火星大气,依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作,着陆于火星表面。

着陆后,火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台,开始巡视探测。着陆巡视器安全着陆后,环绕器进入中继轨道,为火星车提供中继通信,兼顾科学探测。火星车完成探测任务后,环绕器进入使命轨道,开展火星全球遥感探测,兼顾火星车扩展任务中继通信。

火星距离遥远,为了确保探测数据能有效传回地球,我国在为探月工程而建的测控站之外,又新建了3台测控站。“这样可以4台联网天线组阵,测控能力更强,能够实现火星距地球最远4亿公里时的测控通信。”刘彤杰说,这在测控技术上是很大的突破。

山东牛策略上面每一个环节,都不能发生丝毫错误。“如果天问一号探测器能顺利在火星表面着陆,我们将是国际上第一个通过一次发射实施火星探测‘绕、着、巡’的国家。”刘彤杰坦言,难度非常大,但也有信心。他认为,通过探月工程的实施,我国已具备了一步实现“绕、着、巡”的能力。

“跳一跳,够得着。”耿言如此形容天问一号任务的难度。

山东牛策略多种探测,争取对火星建立全面而基础的认识

山东牛策略就像人类历次火星探测一样,在去往火星的漫漫旅途中,天问一号也将接受各种考验。不过,好奇的人们已经对天问一号未来在火星上的工作充满遐想和期待。

半个多世纪以来,尽管任务艰难,但人类对火星的探测不曾却步,而且取得了丰富的成果。发现火星曾经有水,甚至现在还存在水的若干证据,极大激发了人们在火星寻找生命的热情,也成为当前国际深空探测的热点。

“虽然美国、俄罗斯等国家已经对火星进行了很多探测,但人类对火星的认识还不是很深入和全面。因此,我们根据国外的研究情况,结合中国对火星的认识,专门选取对火星的大气、气象、地质等方面进行探测,并配备相应的科学载荷。”刘继忠介绍。

天问一号的环绕器和火星车均可开展探测,环绕器携带7台科学仪器,包括高分辨率相机、矿物光谱分析仪、磁强计、次表层雷达等;火星车携带6台仪器,包括多光谱相机、表面成分探测仪、气象测量仪等。通过这些科学仪器,可实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等方面的科学探测,有利于建立起对火星全面而基础的认识。

山东牛策略此外,为保护火星,避免把地球的微生物带上火星,天问一号探测器采取了洁净化处理。“比如探测器在总装厂房总装时,工作人员都要穿防护服,防止微生物沾上探测器。”刘彤杰告诉记者,此次任务还成立了行星保护领导小组,负责相关工作。

山东牛策略对火星的探测和研究不仅局限于火星本身,还包括火星与太阳系的演化,以及对地球的认识。“我们虽然在地球上,但仅仅在地球上去认识地球肯定是不够的。”刘继忠说。

山东牛策略当然,这一切的前提是建立在天问一号能顺利抵达火星的基础上。此刻,我们只能等待。等待7个月后,天问一号从火星给我们带来问候。

(本报记者 陈海波)

(项目团队:本报记者 陈海波、王斯敏)

山东牛策略原标题:揭秘天问一号的火星之旅

文章来源:http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2020-07/24/nw.D110000gmrb_20200724_1-10.htm

 

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(责任编辑:李茜)
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