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见证历史!我国首个火星探测器“天问一号”发射成功,将挑战「三步走」,开启中国航天新篇章

本文作者:付静 2020-07-23 14:24
导语:一次性实现“绕-落-巡”三步,在世界领域还是首次。

北京时间 2020 年 7 月 23 日 12 时 41 分,海南文昌航天发射场,搭载着“天问一号”探测器的长征五号遥四运载火箭成功发射,我国首个火星探测任务顺利开启!

见证历史!我国首个火星探测器“天问一号”发射成功,将挑战「三步走」,开启中国航天新篇章

集轨道飞行器、着陆器、火星漫游车于一身的“天问一号”,按计划将在约 7 个月后到达神秘的红色星球,我国将向着全球第三个降落在红色星球的国家这一目标前进。

“绕-落-巡”,一次完成

由于公转的原因,当前正值火星探测窗口期,火星到地球的直线距离最短,因而探测火星所需时间短、所携燃料少、成本也更低。

面对这个错过要等 26 个月的火星探测良机,阿联酋沿轨道巡航的“希望号”火星探测器已于本周一顺利发射,而美国“毅力号”火星车暂定于本月 30 日发射。

作为本轮火星探测竞赛第二位出场的选手,总重约 5 吨的“天问一号”作为世界领先探测器之一,设计更为独特,包括:

  • 一架轨道飞行器,置有探测火星地形地貌、岩石分布和气候变化的 7 台科学仪器;在火星车探测期间还将作为通信中继器;

  • 一个着陆器,将完成进入大气减速下降、落火、延伸坡道等一系列动作,以便火星车驶向火星表面;

  • 一辆火星漫游车,置有 6 台科学仪器,将探测火星地下土壤分布和成分,并探究地下水是否有分布。

三部分中,最值得关注的是火星漫游车,这也是中国首辆火星车,将对火星进行全方位的探测。

火星车重量约 240 公斤,为“毅力号”的四分之一,以太阳能电池为动力,设计寿命 90 天,但可正常使用 2-3 年。其顶端有避障的全景相机和可识别矿物质成分的多光谱相机,另配有 4 个太阳能电池板、探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪。

就在昨日,“天问一号”1:1 火星车正式对外发布,其征名工作也已面向全世界展开。

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整体上,“天问一路”探火的主要目的在于——采集火星影像、探测表面物质及构成、内部地质结构、火星气象与环境等。

探测器“问天”,主要有三步,首先是轨道飞行器环绕火星探测。

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接着,着陆器将软着陆并进行定点探测,预计将于 2021 年 4 月 23 日登陆。

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最后,火星车将开始为期 90 余天的非定点巡视探测。

可见,这一任务将一次性完成“绕-落-巡”三步,其意义非凡——按计划,这将是全球首次探测火星就实现软着陆的任务。若任务顺利完成,中国必将跻身太空探索领域领先者之列。

与此同时,此次搭载“天问一号”探测器升空的长征五号遥四运载火箭实力也不容小觑。

长征五号遥四运载火箭体型巨大,长约 57 米,起飞重量约 870 吨,箭体直径 5 米,而此前我国现役火箭箭体直径最大的仅有 3.35 米。

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而作为我国现役运载能力最强的火箭,其起飞推力超过 1000 吨、运载能力近 25 吨,将我国现役火箭的运载能力提升了 2.5 倍。

火星探测本就是航天领域的一大难点,完成“天问一号”任务的火箭也非长征五号遥四运载火箭莫属。

今天,「胖五」再次出征,也创下了两个首次:

  • 长征五号系列运载火箭首次应用性发射;

  • 我国运载火箭首次执行地球-火星转移轨道发射任务。

此外值得一提的是,火星探测任务对于测控通信系统而言也是一大考验。基于此,“天问一号”将使用我国独立的深空网,而西安卫星测控中心喀什深空站、佳木斯深空站将提供全程测控支持。

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雷锋网了解到,上述两大深空站已携手完成包括嫦娥三号、嫦娥四号等在内的多次测控任务。

挑战,前所未有

早在战国时期,火星在人们心中就颇具神秘感。

正所谓“荧荧火光,离离乱惑”,火星被古人称为「荧惑」,被认为是战争、死亡的代表。

千百年来,人们对这颗红色星球的好奇心从未消失,但火星探测绝非一蹴而就,直到 4 年前,中国火星探测计划才正式提上日程。

2016 年 1 月 11 日,中国火星探测任务正式立项,在 2020 年左右发射一颗火星探测器的想法埋下了种子。

经三年努力,2019 年 10 月 11 日,中国火星探测器亮相。一个月后,中国火星探测任务也首次公开。

2020 年 4 月 24 日,中国行星探测任务被命名为“天问”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”。

这之后,“天问一号”任务进入最后的准备阶段,等待 26个月一遇的「探火」良机。

尽管航天人为了确保我国首次火星探测任务顺利完成,在前期尽全力攻坚克难,但火箭成功发射仅意味着第一步成功迈出,一切才刚刚开始。

可以说,这次任务“持续时间长、风险环节多、实施难度大”,面临的挑战是前所未有的。毕竟,一次性实现“绕-落-巡”三大任务,这在世界航天史上还是首次。

此次任务之难,主要在于以下几个层面。

其一,即便在窗口期,火星也依旧是一颗遥远的星球,探测器携带有限燃料出远门,为探测器飞行轨道的精密设计提了很高的要求。

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其二,若探测器经过 6-7 个月漫漫旅途后顺利进入火星轨道,能否被火星捕获也是一大难点,切入点的远近直接关系到探测器是被捕获、掠过火星还是坠毁。

其三,整个任务最大的挑战便是如何成功着陆火星。探测器将 4.8km/s 的速度降到 0,需要 7 分钟左右,而这个过程也常被称为「恐怖 7 分钟」。何时减速、进入大气的姿态与角度如何,都需要精准控制,但鉴于人类对火星的认知不足,加之地火之间单程无线电信号的延时问题,依靠地面指挥实属不易。

对此,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曾表示:

在世界上现有的 40 余次火星探测任务中,能够安全度过这 7 分钟的仅有 9 次。

需要说明的一点是,自上世纪 60 年代以来,探测火星几乎贯穿着整个人类航天史,但直到今天,全球范围内火星探测任务成功率还不足五成。

1960 年 10 月,前苏联连发史上首枚、第二枚探测器“火星 1A 号”和“火星 1B 号”,却连地球轨道都未到达。

此后,前苏联和美国的探测器或发射失败、或与地面失去通信联系、或被烧毁,多次尝试均以失败告终。

1964 年,失败魔咒首次被打破。12 月 28 日发射的美国“水手 4 号”,于 7 个月后终于在距火星表面 9800 千米的上空掠过火星,向地球发回 21 张照片,这也是史上首个成功到达火星并发回数据的探测器。

1970 年代,火星探测器(美国“水手 9 号”)才首次进入环绕火星轨道。

此后,日本、欧洲航天局、印度纷纷加入火星探测的队伍,加上本周一发射的阿联酋“希望号”,人类向火星发射航天器已有 47 次。

然而,截止目前,有 11 次任务连地球引力范围都没出,而在成功前往火星的 35 次任务中,就有 5 次中途失联。

火星,我们来了

既然探测火星困难重重,那么挑战这一任务的原因何在?

在好莱坞科幻片《火星救援》中,宇航员马克遭遇风暴,被迫成为了“火星上的鲁滨逊”。为了活下去,曾是植物学家的马克开始自制肥料,在火星上种土豆。

究竟能否在火星上种土豆,虽然这个问题对于还未登上过火星的人类来讲还是个谜,但人类移民火星的美好设想一直存在。

科学界较为一致的看法是,如果人类未来要星际移民,火星将是太阳系中最值得研究的一个星球。

地球与火星几乎都于大约 45 亿年前形成。作为太阳系从内向外数的第四颗行星,火星是太阳系中自然环境最接近地球的星球,组成成分相同,自转轴倾角、自转周期与地球相近(一个火星日约为 24 小时 39 分),也存在四季变化。

值得一提的是,火星并非“火球”,由于土壤富含氧化铁,其表面呈现红色,但实际上温度极低,火星表面温度白天为零下 5 摄氏度,夜晚则可达到零下 87 摄氏度。

而火星表面的氧化铁土壤正是经风和水的双重侵蚀产生,也就是说,曾经的火星上存在着大量水和大气。

虽然如今的火星是一颗沙漠行星,表面多是沙丘和砾石,大气中主要是二氧化碳,尘暴频发,但其重力约为地球的五分之二、大气稀薄且存在液态水痕迹,因此改造后有望成为人类移民的首选星球。

纵使未来移民难以实现,研究这颗神秘的星球,也将让我们对地球、太阳系、乃至宇宙更为了解。

我国行星探测任务以“天问”为名,正是寓意着探求科学真理征途漫漫。

日月安属?列星安陈?

古有屈原向世间事物发出百余问,今有中国“天问一号”向火星出发。

让我们祝福中国航天,静候“天问”佳音。

引用来源:

https://weibo.com/u/6528178851

https://www.ithome.com/0/499/138.htm

https://xw.qq.com/cmsid/20200717A0JNR700

https://tech.sina.com.cn/d/2020-07-22/doc-iivhvpwx6769885.shtml

https://baike.baidu.com/item/%E7%81%AB%E6%98%9F/5627

https://www.takefoto.cn/viewnews-2236233.html

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