你知道“天问一号”有多难吗?

2020-07-27 由 发布 阅读(449)

7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务,“天问一号”在中国文昌航天发射场点火升空。

这是我国首次自主探测火星,“天问一号”探测器由环绕器、着陆器、巡视器(火星车)三部分组成,用我国目前运载能力最好的长征五号火箭兜着,轰轰轰地发向遥远的火星,预计2021年2月进入火星轨道。

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三言两语说起来简单,但这项工程要想成功,可是令所有中国航天人为其捏了一把冷汗。毕竟想往火星发个东西,可没那么容易的。截至目前,人类已45次发射火星探测,火星已被称为探测器坟场:

1990年以前

前苏联尝试发射15次,只有1次完全成功;

美国发射8次,6次成功;

1990-2000年间

美国发射6次,只有2次完全成功;

俄罗斯发射1次,失败;

日本发射1次,失败;

2000年至今

美国发射8次,全部成功;

欧空局发射2次,全部着陆失败。

中国和俄罗斯合作发射1次,失败;

印度自主发射1次,成功;

阿联酋“希望”号还在途中;

中国“天问一号”还在途中。

在任何国家航天局面前,火星都是一座难登的峰。早在2011年11月8日,我国“萤火一号”火星探测器就搭载俄罗斯的福布斯-土壤号飞往火星,11月9日,俄方就宣布福布斯-土壤号变轨失败。我国第一次火星探索尝试,也无疾而终。

卧薪尝胆9年,我国在“天问一号”的建设上直接大胆设立一次性完成3大任务的目标。

要知道,人类探测火星分为探测器掠飞探测、绕、落、巡、采样返回、载人登火6个阶段,而本次作为中国首次火星探测任务,“天问一号”不仅直接跳过掠飞探测这第一阶段,还计划通过一次发射就实现绕、落、巡三大任务,如此挑战,在世界航天史上属首次。

所以什么是绕、落、巡?

绕,即要求探测器能对火星进行环绕观测。“天问一号”发射升空后,会先在地球附近加速,进入“霍曼转移轨道”,入轨后再利用惯性保持飞行。等到达火星轨道,“天问一号”便开始降速以求被火星轨道捕获,进而实现第一个目标:环绕火星飞行。

然而,要想成功进入“霍曼转移轨道”,对运载探测器的火箭推进速度及其入轨精确度有着极高要求。火星探测器进入轨道的速度至少要达11.2km/s,甚至高于月球探测器进入地月转移轨道的所需速度(10.9km/s)。因此,“天问一号”火星探测之旅只能由我国新一代运载火箭中推力最强的“胖五”——长征五号运载火箭保驾护航。

当“胖五”带着“天问一号”成功进入太空后,整流罩中的“天问一号”将会与“胖五”告别,只身飞往火星。经历长达6~7个月的长途旅行后,“天问一号”预计在明年2月左右来到火星引力势场内,试图切入火星轨道,被火星引力场捕获。这个过程决定成败,若切入点距离火星太远,“天问一号”无法被火星引力成功捕获,就此与火星别过;但若太近,“天问一号”就此坠毁。

若能成功切入火星轨道,“天问一号”上的环绕器才能准备进行环绕观测。

落,即探测器要降落在火星上。成功实现环绕观测后的重要任务目标就是——火星着陆。“天问一号”此时需要将飞行速度在7分钟内由4.8km/s的超高速度减为0,以便在火星着陆。而这短短的7分钟内,着陆器减速进入火星大气的时间、角度、方式等都需要精准把控,稍有偏差,便前功尽弃。

然而,目前我们对于火星环境的了解十分有限,再加上地火距离遥远,从地球向火星发送单程无线电信号,延时可达20分钟!在地球上进行着陆指挥实在难以实现。因而降落过程直接变为“盲降”,超过1000个动作的降落过程全部依靠探测器自主完成,在技术上对于软件和硬件的要求都极高。

“天问一号”探测器采取的减速降落方式共有四种。

首先采取“急刹车”大法——气动减速,探测器会在290秒内将速度由4.8km/s降为460m/s;之后选用“降落伞”降速,在90秒左右的时间内把速度降到95m/s;第三步则利用“反向冲击波”——动力减速开反推,探测器的反推发动机利用动力减速,在80秒内将速度降到不足3.6m/s;最后在探测器距离火星表面100米高时进行着陆缓冲、悬停避障,检测出火星表面的最佳着陆点后,探测器水平移动至该着陆点上方,“伸展四肢”并扒在火星表面。

巡,就要求火星车开出来,在火星上巡视勘测。在落地点周围拍拍照片,转几个圈圈。

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除了一系列技术难题,发射火星探测器还有时间限制,现在不发,还得再等两年。这一切的原理,其实源于一个很重要的天文知识点。

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如图所示,火星和地球一样围绕太阳运动,火星轨道在外侧,因此它绕太阳一圈大约需要两个地球年,地火两者相对位置也在时刻变化。1925年间,一位名叫霍曼的工程师就此提出一种航天器变轨的最佳方案,就是上文有提及的“霍曼转移轨道”。它是地球飞往火星时,一种连接地球轨道与火星轨道的椭圆轨道。

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如果选择正确的发射时间,当探测器沿着“霍曼转移轨道”运动到火星轨道交点时,火星也恰好运动到该点附近。这样不仅能节省燃料,还可以最大限度地提高探测器有效载荷。但这个发射窗口期,大约每26个月才出现一次。

这也是为何今年各国航天局扎堆向火星发射探测器:阿联酋“希望”号探测器于7月20日率先升空、美国“毅力”号火星车计划于7月30日发射。

除了技术、发射时间带来的巨大难关,我国发射“天问一号”同样也承受着国际形势压力——“成功国人皆欢喜,失败印度开香槟”

印度在2013年向火星发射了他们基本自主研发的曼加里安号火星探测器,还成功到达了火星轨道,成为世界上唯一一个第一次火星任务就成功的国家。而且这个探测器据说是至今全球最省钱的火星探测项目,总花销只有美国NASA经费的十分之一。尽管印度发射的这个探测器只能用来拍拍照、探测一下火星大气成分,但印度航空研究组织还是成为继俄罗斯航太、美国NASA、欧洲欧空局之后第四个成功进行火星任务的太空机构。

印度人扬眉吐气,甚至觉得自己挤进了国际精英航空组织之列。再加上近期印度频发反华活动、全国性抵制中国产品,“天问一号”这次要是失败了,可不得被印度人举着香槟嘲讽一番嘛。

不过,我们的目光也不能这么短浅,毕竟探测火星,是全人类的大事。火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星,它有稀薄的大气层,气压是地球的1%,虽然平均温度只有-63℃,但局部最高温度可达35℃。火星上还封存有大量冷冻状态的水,是人类活动的生命之源。不仅如此,火星的自转周期与地球十分接近(24小时40分钟),并且也是倾斜自转,因此火星与地球一样,有着四季交替的现象。

火星对于人类了解地球生命起源极具价值,也是未来人类移民的唯一可选行星。

如果此次“天问一号”探测任务圆满成功,就会给我们提供大量来自火星的“秘密”,中国也将成为世界上唯一一个第一次火星任务就成功登陆的国家,没有之一。当然,在祈盼成功的队列中,还有着欧空局、阿根廷国家航天委员会、法国航天局、奥地利研究促进署的身影。“天问一号”身上承载的不只是我国的自主研发技术,还包含着与多家国际机构的合作成果。在如今美国疯狂煽动各个国家搞站边的事态下,“天问计划”的成功也会大增我国士气,坚定盟国信念,向全世界显现我们在尖端领域的大国风范。

“圜则九重,孰营度之?惟兹何功,孰初作之?”屈原两千多年前就在诗中发问,天外有天,宇宙多重,有谁曾去环绕量度?这是多么大的工程,又是谁去把它建造?

如今“天问计划”给了他答案。

人类仰望星空、探索宇宙,“天问”一词也表达了中华民族对真理追求的坚韧、对宇宙空间探索的执著。探索科学真理之路漫漫其修远兮,愿“天问一号”能带给我们好消息。

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