“天问一号”:跨越4亿公里去火星

2020-07-19

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转场中的火箭


国家航天局日前宣布,计划于7月下旬到8月上旬择机实施中国首次火星探测任务(行星探测工程天问一号任务)。天问一号将实现火星环绕和着陆巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并在火星表面开展区域巡视探测。7月17日,长征五号遥四运载火箭在文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,已垂直转运至发射区。


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集团航天科技事业部莅临现场


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探测器发射状态构型



从“三环”到“四环”,先要飞行7个月

在太阳系里,八大行星以太阳为核心公转,形成了八个环形轨道,其中地球位于三环,火星则在四环运行。我们的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”,而是长途跋涉十个多月,直线距离突破4亿公里的旅程。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。

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。也就是,我们的探测器如果在7月下旬发射,抵达火星轨道的时间大约在2021年2月前后。

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。

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呢?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,这个阶段的绕火飞行就是为了给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,我们看清了“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,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44次火星探测任务中,能够安全度过这7分钟的仅有9次。

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。

“天问一号”为什么要去火星?

中国首次火星探测任务是我国行星探测的第一步。我们行星探测的第一步为什么要选择火星?

在太阳系里,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。

但是从有限的资源中,又显而易见两者之间的不同。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,在它最明亮的时候犹如一团火球。但实际上这一红色并不是真的火焰,正相反,火星的温度极低,接近于地球南极的寒冷,而红色的源头则是富含氧化铁的土壤,就像是土地生了锈。这种土壤的形成是风和水的双重侵蚀作用产生的,可见曾经的火星上至少存在过大量的水和大气。

当时空流转,是怎样的演变让这颗与地球同龄的星球变成现在如荒漠一般的模样?火星是我们的过往,还是地球未来的归宿?又或许,它亦可成为人类改造的对象,在百十年后成为一个宜居的地外家园?

虽然天问一号是我国首次火星探测之旅,不过却并没有走美国、俄罗斯等在火星探测上的“老路”,而是增加了任务难度,将有望成为人类星际探测史上,第一台一次性完成“环绕、着陆、巡视”,以及在火星开展全球巡查和精细探测的探测器。

能够成为中国首次火星探测任务的主角,“天问一号”在结构上就有着自己的风格。它由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器又分为进入舱和火星车。当“天问一号”运行到选定的进入窗口后,探测器进行降轨控制,释放着陆巡视器,环绕器则进行升轨控制,进入中继通信轨道,为火星车提供中继通信链路,并开展环绕科学探测。

着陆巡视器与环绕器分离后,进入火星大气,通过伞降和反推发动机的减速方式,软着陆于火星表面。火星车从着陆平台上分离以后,就可以在火星表面开展工作了。据悉,“天问一号”携带了各种用来检测火星大气成分、磁场等的仪器,希望可以对火星进行全方面的探测研究,绘制出更加完善的火星地形图,以及更多了解火星的地下结构,寻找可能在火星上存在的“液态水”,以及探测火星上是否有微生物等原始的低等生命。



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