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“天问一号”要成功奔向火星 还得闯多少关?

时间:2020-07-31 15:24来源: 作者:admin 点击: 6 次
内容提要:2020年7月23日12时41分,在海南文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器送往太空。天问奔火,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。一切顺利的话,“天问一号”将在太空中飞行大约7个月后到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火星轨道,并择机开展

内容提要:2020年7月23日12时41分,在海南文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器送往太空。天问奔火,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。一切顺利的话,“天问一号”将在太空中飞行大约7个月后到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火星轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。

2020年7月23日12时41分,在海南文昌航天发射场,长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器送往太空。天问奔火,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。一切顺利的话,“天问一号”将在太空中飞行大约7个月后到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火星轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。

7月23日中午,长征五号火箭搭载着“天问一号”火星探测器在发射升空2000多秒后达到每秒11.2千米的速度,探测器与火箭顺利分离。

这是我国火箭迄今为止飞出的最快速度,也是航天器要摆脱地球引力,进入太阳系的最小速度。不过要把探测器成功送入火星轨道,速度达标只是最基本的要求。由于火星和地球都在绕着太阳公转,速度并不一致,因此,两颗星球之间的相对位置经常在变动。距离最远时超过4亿公里,最近时也有5500万公里,当地球和火星都绕行到太阳的同一侧时,距离相对较近,适合发射火星探测器。今年的7月下旬到8月上旬正是这样一个最佳窗口期,一旦错过,只能等2022年才能再有机会。为了保证在这段时间将探测器准确发射入轨道,要做好万全的准备。

中国航天科技集团一院长征五号运载火箭副主任设计师刘秉说:“地球和火星之间的相对位置是实时在变化的,在打靶的时候是打的一个移动靶,差之毫厘,谬之千里,要求准确度非常高。在以往发射任务中直接向火箭的计算机注入一条轨道参数就可以了,现在是每天都有3条轨道,可以实现连续14天都有发射机会,这样的话就是42条轨道。”

42条发射轨道,最终的目的都是要把探测器从地球运行的轨道送入火星运行的轨道,选择的并不是距离最短的路线,而是最节省燃料的路线。火箭把探测器发射送入空中、甩到地火转移轨道后,地面控制人员不断调整火星探测器的飞行方向,逐渐靠近火星,并最终到达火星。

刘秉说:“就像两辆并行运行的车一样,相当于我们把飞行器从地球这辆车上发射到火星这辆车上,火星探测器具备中途修正,主动调整自己轨道的能力,快到火星这辆车的时候,火星这辆车刚好也出现在了这个位置。”

火星自古就是人类观察天象时最重要的观测对象之一,因为与其他星球相比,颜色呈暗红色,且在空中的位置时常变动,东西方都一度对火星敬而远之。但随着天文学的不断发展,科学家们却发现,火星并非不可捉摸,在整个太阳系中,火星是与地球环境最相似的行星,也是最有可能有生命存在的行星。随着科技的不断进步,从上世纪60年代起,人类开始了利用航天器实地探索火星的旅程。

1960年,苏联发射了人类第一个火星探测器“火星1A号”。

1965年,美国“水手4号”火星探测器第一次传回火星图像。

1975年,美国“海盗1号”火星探测器首次成功着陆并展开工作。

1997年,美国“旅居者号”成为首个展开工作的火星车。

2004年,美国“机遇号”火星车登陆火星,工作15年,是执行任务时间最久的火星探测器。

2020年,中国人也踏上了去往火星的旅程。

揭开生命之谜,探究宇宙奥秘,是人类从古至今最大的追求之一。“日月安属?列星安陈?”2300多年前,屈原在《天问》一诗中就发出过对宇宙万物探求之问,此次火星探测器也以这首充满好奇的长诗“天问”来命名。从今年7月发射后,火星探测器将飞行7个月左右时间,在明年2月初到达火星, 届时探测器与地球间的距离将达到1.9亿公里。这么远的距离,信号衰减很大,使得两边的信号接收更加困难,同时,通讯会产生10分钟左右的延时,地面无法实时给探测器的动作发出指令。

在中国天问一号探测器升空之前,世界各国已经进行了40多次火星探测任务。但是在这40多次尝试中,仅有半数成功。深空探索的难度,可想而知。

此前,各国的火星探测任务一般都采用循序渐进的方法,先环绕探测,再释放着陆器到火星表面探测。作为我国首次火星探测任务,“天问一号”一次探测就计划完成三大任务,环绕火星飞行、在火星表面着陆以及在火星上进行巡视。一次发射完成多项任务,可以赶超世界其他国家在火星探测上的进度,但技术更复杂、风险也更大,此前也经过了反复论证和考量。

一次探测要完成三个任务,火星探测器主要也由三部分组成。其中上半部分的钝头体为保护罩,着陆器和火星车包裹在保护罩内,带有喷嘴的下半部分为环绕器。如果能够成功进入火星卫星轨道,环绕器和着陆器将分离,环绕器留在轨道上进行为期一年的探测任务,着陆器则将在之后挑选合适时机降落至火星表面。

刘彤杰:“着陆平台也叫着陆器,它和火星车加起来是1300公斤,着陆平台载着火星车要完成进入大气、减速、下降、落在火星表面上,这是它最大的使命。”

在整个任务中,“天问一号”着陆器登陆火星表面是最让人期待的环节之一,也是难度最高的任务之一。从地球出发一路奔向火星的途中,探测器将一直处于高速飞行状态,要想成功着陆,着陆器要穿越火星稀薄的大气层,将与火星的相对速度从每秒4.8公里降至零。尽管这个过程只有七八分钟,因为电磁屏蔽的原因,整个过程全部要靠探测器自主控制完成,因此也被称为“恐怖7分钟”。1961年以来,各国共有17次进入火星大气的探测任务,只有8次成功着陆并顺利开展探测工作。

中国航天科技集团五院火星探测任务探测器系统副总师贾阳说:“第一个我们关注的点就是近火点的捕获,这个点是一个机会唯一的点,这个地方出现问题的话,探测器就飞到更远的深空了,想再回到火星就很难了;第二就是进入火星大气包括着陆过程,需要探测器根据速度、加速度等等这些情况,包括测量和火星表面之间的距离,做出一系列自主判断,才能保证探测器安全着陆。”

着陆器若能顺利落地,就会变身为火星车开始工作的初始平台,打开延伸坡道,让火星车从平台上走到火星地面,开展为期三个火星月、大约92个地球日的探测工作。

中国自主研制的火星车是此次“天问一号”任务的一大亮点。此前公布的火星车外形和之前登月的玉兔号月球车有些相似,但是因为火星离太阳更远,太阳能板从两个增加到了四个,保证火星车有充足的能量。而整个火星车最引人瞩目的就是它树立在前面的桅杆。

国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰说:“火星车随着着陆平台踏上火星的第一步就是要展开桅杆,睁开眼睛,来看火星神奇的面貌。两个火星车的全景相机能看前面的地形地貌,又能帮助火星车避开障碍,实施前行实时探测,通过多光谱相机,有好几个谱段来识别前面的矿物质是什么成分。”

此外,火星车上还配有探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪,届时可以对火星进行全方位的探测,通过尾部信息传输设备与地球沟通,传回探测到的宝贵资料。

中国航天科技集团五院火星探测任务探测器系统副总师贾阳说:“火星车带了六种设备,这六类设备有的是用来观察火星的地形地貌,有的是观察火星表面的岩石、矿物成分,还有的是用来测火星土壤分层情况,还有测量气温、气压、风向和风速、声音,我们也很期待能够在地球上听到来自于火星的声音。”

不过,相比月球车在月球上的行走,火星车面临的将会是更加严酷的自然环境。因为大气稀薄,距离太阳更远,火星上的平均温度只有零下63摄氏度,最低可达到零下140摄氏度。火星上还经常发生沙尘暴等极端天气。如何应对这些情况,不仅关系到火星车是否能正常运转,也关乎火星车究竟能在火星上工作多久。

中国航天科技集团五院火星探测任务探测器系统副总师贾阳说:“火星车有自主的本领,要是判断出来现在能量已经很缺了,比如挨不过今天晚上,那么火星车能够自己灭,等到天气变好,包括阳光变好,也包括温度条件变得更好,火星车还能自主醒过来。”

在人类此前成功发射并到达火星的探测器发回来的信息中,我们已经见识到了火星的真实面目。满目荒芜,到处是沙土,表面坑洼不平,一些此前成功着陆的火星车也常常遇到走不动的情况。中国火星车设计的速度只有每小时200米,尽量确保它走得更稳一些;另一方面也增加了结构上的设计,来应对可能发生的意外情况。

中国航天科技集团五院、中国火星探测任务探测器系统副总师贾阳说:“在行进的过程中,可以调节车体和地面之间的高度。还可以蟹行运动,也就是说横着走。”

不论是期待还是挑战都还需要等待近7个月的时间。从地球到月球,再到火星,中国人的深空探索在一步步地走远。

贾阳说:“选择着陆点的时候有一个考量,火星表面面积广袤,别的国家已经去过的,或者将要去的地方尽量避开,探测的过程是人类逐渐深化对火星认识的过程,任重道远。”

火星是离太阳第四近的行星,和地球距离比较近而且环境最为相似,是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。在国际上以往的探测中,发现了火星曾经有水、甚至现在还存在水的一些证据,所以火星就成为当前国际深空探测的一个热点。“天问一号”是我国深空探测的首次任务,这次发射只是一个成功的开始。大约7个月后,“天问一号”将迎来后续的重要挑战!

  原标题:焦点访谈:“天问一号”要成功奔向火星,还得闯多少关?

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