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发射前往火星,天问一号八大闯关之旅正式开启

  2020年7月23日12时41分,我国首个独立火星探测任务天问一号搭乘长征五号遥四火箭,从文昌航天发射场成功升空,下一站火星!
  图片来源:江程杰
  两千年前,屈原在长诗《天问》中发出了"九天之际,安放安属?"和"日月安属,列星安陈?"的旷世之问。两千年后,中国航天人要用实际行动给出解答:行星探测计划"天问"启动,而执行第一站任务的就是去往火星的天问一号。
  火星是地球的邻居,二者同为岩质行星,演化与构造类似。火星上有水、稀薄空气、与地球类似的元素、小分子有机物和太阳系最壮观的山川峡谷等,是地球演化历史和未来的重要参照,更是人类梦想成为"跨行星生存物种"的完美下一站。
  地球和火星对比(图改自:NASA)
  为征服眼前这个荧荧如火的星球,中国航天人进行了数年的努力。如今,天问一号的闯关之旅才刚刚开始。
  第一关:必须抓住的发射窗口
  跟火星比起来,地球距离太阳更近,环绕太阳一周需要约365天,火星则需要约687天。这种"不同步"导致地球和火星之间距离在时刻变化,从5500万千米到4亿千米不等。从地球视角来看,二者每约780天才会合一次:在780天内地球运行了2周49度角,恰好超过了火星1周,二者距离达到一次最近
  地球和火星的轨道周期、会合周期示意图(图片来源:作者绘制)
  人类航天虽然经历了数十年发展,但运载火箭依然以利用化学能为核心,远达不到科幻电影中无视星际旅行距离"横冲直撞"的设定。因而,火星探测器的发射时间要求很苛刻,必须在每次地球和火星会合时机之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球44度角左右的时候出发,瞄准6-11个月之后火星的位置,开启火星探测之旅。
  2000-2022年地球和火星距离变化,各火星探测任务在太空中飞行的时间区间(图片来源:作者绘制)
  由于每次地球和火星会合机会带来的理想探测窗口仅在1个月左右,探测任务如果赶不上出发,就要等待26个月后的下一次机会。这对于存在设计寿命、且有着巨大保管维护成本的探测器而言,是很难接受的。例如, NASA局长曾说毅力号火星车错过2020年7-8月发射窗口的代价至少是5亿美元的损失。
  第一关,天问一号已经完美通过!
  第二关:强力的运载火箭
  在人类航天探索中,航天器的速度是最重要的核心。
  三大宇宙速度是人类航天探测的三道鸿沟(图片来源:作者绘制)
  想实现火星探测,意味着探测器不仅要突破第二宇宙速度,完全摆脱地球引力,还要在此基础上进一步加速,在抵达火星前尽力摆脱太阳(是地球质量的30余万倍)引力的巨大影响。这对探测火星的运载火箭要求极高,基本都是各国最为强力的火箭系列。即便如此,探测器占火箭总体质量的比例都在1%以下,绝大部分质量都用于装载推进剂,这是人类航天梦想的巨大代价。
  对于总重5吨左右的天问一号而言,带它前往火星的就是长征系列中最强的长征5号火箭。
  近几年世界各国火星探测任务的主力火箭(图片来源:作者提供)
  第二关,"胖五"托起天问一号飞向火星的梦想已经实现!
  第三关:霍曼转移轨道
  1925年,德国航天工程师瓦尔特·霍曼博士出版了图书《Die Erreichbarkeit der Himmelskörper》,在书中提出了著名的霍曼转移轨道。他或许没有想到,这个理论成为后来人类几乎所有火星探测任务的基础。
  霍曼转移轨道的理论认为:在地球出发时(假设地球火星均为圆轨道),探测器需要达到32.7千米/秒的速度,超过地球本身的速度(29.8千米/秒),加速。在抵达火星时,探测器速度为21.5千米/秒,低于火星运动速度(24.1千米/秒),再次加速。不过由于火星引力加速和大部分任务目标是环绕火星等原因,"再次加速"实际上是火星附近制动工作,以切入环绕火星轨道。飞行过程中,为应对外力可能造成的轨道偏移,也仅需推进系统短暂工作微调,绝大部分时间自由飞行。
  火星探测霍曼转移轨迹示意图(图片来源:作者绘制)
  整体上,霍曼转移方案非常简单,轨道是半个椭圆,链接了地球轨道和火星轨道,全程在6-11个月时间。它能够最大限度节省推进剂,最大限度减少操作,是人类火星之旅的最优方案。
  第三关,天问一号已经在切入霍曼转移的路上!
  第四关:深空导航制导与控制
  茫茫深空,此前各个探测任务采用的霍曼转移轨道普遍在4-7亿千米的长度,6-11个月的旅程。对于天问一号,它的轨迹耗时7个月左右,预计于2021年2月中才抵达火星,需要走过的路已经远远超过了中国此前的航天任务。我们熟悉的天宫和神舟任务距离地球表面仅400千米,北斗星座距离地球表面仅20000-36000千米,嫦娥距离地球38万千米。但它们相比天问一号而言都可以用"微不足道的距离"来形容,这也意味着对天问一号的导航制导与控制变得异常艰难。
  功勋卓著的远望6号航天测量船也为天问一号保驾护航(图源:我们的太空)
  一方面,在出发阶段,需要陆基测控站和万吨级远望系列航天测量船全程保驾护航。出发后,需要庞大的深空探测天线网络覆盖整个天域,保证它在整个探测火星过程中都能跟地球有效通信,要知道,天问一号距地球最远的时候,即地球和火星距离达到4亿千米,这个距离单程都需要光速飞行22分钟!
  另一方面,天问一号也需要自主导航和控制,精准确定自身位置和姿态。例如利用恒星敏感器把自己的姿态确定到角秒级的精度,而1角秒仅仅是1度的3600分之一!
  第四关,地球上的中国航天人和太空中的天问一号,正常通讯中!
  第五关:"绕、着、巡",一个都不能少
  人类探测火星60年来,共有四种任务类型:惊鸿一瞥的"飞掠",登高望远的"环绕",观天测地的"降落"和自由移动的"巡视"。其中,"飞掠"仅是在早期技术不成熟或其他任务兼职探测火星时使用,另外三种是近些年来的任务类型主力。
  人类目前有四种火星探测任务示意图,未来在计划突破第五种:采样返回(图片来源:作者绘制)
  其中,环绕器(轨道器)能长期环绕火星,采集海量的数据,全方位研究火星磁场、大气、重力场、水、浅层土壤、地质地貌等方面,还能起到信号中继作用,服务于降落在火星表面的着陆器和巡视器。着陆器能仔细研究火星表面的各种细节,但由于着陆机构重量和自身能量限制,无法移动和自由巡视。巡视器可以随处移动,意义不言而喻,它的质量能更多集中于科研载荷,从事多地点多方面的精细研究。
  一般而言,火星探测任务都会采取"绕"、"落"、"巡"分开的形式以降低难度。即便如此,几十年来人类探测火星的任务成功率仅有一半左右。而这次天问一号的选择是:"小孩子才做选择,绕、着、巡,我都要"!它包括了环绕器、着陆器和巡视器三个部分。
  第五关,最复杂的火星探测任务正在路上!
  第六关:切入轨道,静待时机
  经过近7个月的长途旅行,2021年2月中,火星终于出现在眼前,天问一号也将被火星引力俘获。环绕器此时要执行最为关键的一步:制动进入环绕火星轨道。为最大限度节省推进剂,天问一号的三个部分将会整体进入环绕火星的大椭圆轨道中,没必要追求更消耗推进剂的圆形轨道。
  这个方案不同于进入21世纪后的欧洲两次类似任务。它们都是抵达火星后立即分离,着陆部分并不进入环绕火星轨道。这样虽然可以大大降低环绕器的制动变轨压力,但代价也是惨烈的:火星快车号和微量气体探测器任务的着陆部分均宣告失败。重要原因之一在于给着陆留下的选择窗口太短,因而天问一号并不采用这种方案。
  天问一号:前部为着陆器/巡视器组合体,后部为环绕器(图源:中国航天局)
  在随后约2个月的环绕火星时间内,是天问一号的环绕器最为繁忙的时间。它需要逐渐开启自身的7个有效载荷,认真研究火星表面的情况,反复确认着陆地点和最优着陆窗口。一旦确认后,二者分离,环绕器继续在轨工作,着陆器携带巡视器开始最为艰难的火星着陆之旅。
  第六关,环绕器是重中之重!
  第七关:恐怖七分钟!
  由于距离过于遥远,地球和火星双向通讯延时将长达几十分钟。且火星着陆时间一般仅在7-8分钟左右,地面工作人员不可能人工控制复杂的火星着陆过程,这一切全要靠着陆器自己完成。
  火星有大气,但又特别稀薄。这成了航天人又爱又恨的因素:一方面,可以利用大气气动减速,使用降落伞;另一方面,必须找准进入角度,过大会着陆器过热焚毁,过小会打水漂一样滑入深空,根本无法着陆。更重要的是,火星大气的密度还太低了,甚至还不足地球大气层的1%,即便最大极限地利用了火星大气减速,依然无法把速度降到理想状态,要想着陆火星必须自带反推火箭。
  让我们来大概描述一下天问一号着陆的过程吧:
  刚开始,通过整体和隔热大底气动减速约5分钟,着陆器速度从约5千米/秒减速到数百米/秒,已到极限,隔热大底的温度已升到2000余摄氏度。此时,巨大降落伞展开,在不到100秒时间内把速度进一步降低到约100米/秒。随后,隔热大底、降落伞和支撑结构先后脱离着陆器。被烧蚀得不成样子的隔热大底将会坠向火星表面,成为天问一号最先抵达火星表面的部分,也算是它"蜡炬成灰泪始干"的"褒奖"。
  天问一号着陆器最后着陆阶段艺术效果图(图源:中国航天局)
  大戏刚刚开始,着陆器自带的反推火箭开始全力工作,逐渐降低速度。着陆器先是在火星表面数十米的高度悬停,底部所有仪器开启,认真筛查地表情况,最后确认着陆地点。认定后,最终缓慢软着陆到火星表面。
  第七关,"刀尖上舞者"的火星着陆艺术。
  第八关:巡视器出发,开机工作
  "绕"、"着"、"巡"的串联任务终于进行到最后一步。着陆器稳定着陆后,将会与环绕器联络,确定工作状态,上传记录的全部数据,传回地球。一切确认后,着陆器将放出导轨,巡视器开机,积累到足够能量后,行驶抵达火星表面,开始工作。
  天问一号着陆器和巡视器艺术效果图(图源:中国航天局)
  探测火星不仅是为了工程任务突破,更是为了从事科研。除了常规的通讯、能量来源(太阳能帆板)、支撑结构、动力系统等部分外,天问一号整体上携带了13种科学载荷,其中7个在火星上空的环绕器上,6个在降落火星表面的巡视器上。它们共有五大科研目标,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将给中国带来火星的第一手资料。
  工作状态的火星车艺术效果图(图源:中国航天局)
  第8关,美丽的火星,天问一号拭目以待!
  结语
  人类探测火星60年,胜率不到一半,这是一个高风险,却是代表着人类最美丽最绚烂航天梦想的存在。天问一号,一次实现"绕、落、巡"的工程目标和五大科学目标,也必将是极大的挑战。我们祝福它在余下的闯关过程中,一切顺利!
  天问一号不仅是我国火星探测任务的开始,也宣布了我国长远行星探测任务的开启。火星,只不过是下一站。在可以预见的将来,天问系列不仅会探测火星,还会去地球最近的邻居金星,还有可能挑战极限,前往更大难度的太阳系内侧水星和外侧四大气态行星(木星、土星、天王星、海王星)和小行星、矮行星等。我国也在近期开启了行星科学一级学科的大规模建设,一批人才培养的摇篮正在规划中。希望天问一号火星探测任务一切顺利,也希望天问系列带着中国人的梦想飞遍寰宇。
  最后,让我们畅想一下《下一站火星》中的未来图景吧:所有人都在等待征服火星的那一天。那时人类可以被定义为一个全新的物种:一种来自地球的可以跨行星生存的生物。走出地球似乎是我们从渺小迈向伟大的必经之路。火星就是下一站,那里总是荧荧如火,令人向往。
  出品:科普中国
  制作:太空精酿
  监制:中国科学院计算机网络信息中心
  下一站火星(全彩)                        ¥74.9                                                                购买

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