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火星,中国来了!

“天问一号”的升天,也标志着中国迈出了行星探测的第一步。

《中国经济周刊》 记者  贺诗

(本文刊发于《中国经济周刊》2020年第14期)

7月23日12时41分,我国在海南文昌航天发射场,使用长征五号遥四运载火箭将我国第一颗火星探测器“天问一号”发射升空,随着“天问一号”顺利进入预定轨道,中国历史上首次火星探测器的发射任务取得圆满成功。

接下来,“天问一号”将在约7个月后飞抵火星附近,并实现“绕、着、巡(火星环绕、着陆和巡视探测)”三大目标。

“天问一号”的升天,也标志着中国迈出了行星探测的第一步。

 

30 2020年7月23日12时41分,中国在文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探

2020年7月23日12时41分,中国在文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探

历史上还没有一次实现“绕、落、巡”三大目标的先例

火星堪称全球最热门的“行星旅行地”,但人类“探火”的历史进程并不顺利。

7月20日,阿联酋火星探测器“希望”号在日本发射升空,这次“天问一号”升天,则是人类历史上第46次火星探测活动。

除去最近的两次,在总共44次火星探测任务中,成功的只有23次,而这其中完全成功的更是只有19次。

在“探火”历史上,只有苏联尝试过两次以“绕、落、巡”为目标的发射任务,均为1971年。结果这两次任务都只取得部分成功,未能完成全部三项目标。

此前接受媒体采访时,航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲也指出,“世界上从来没有哪个国家一次同时实现(这三个目标)。”

中国为“天问一号”制定的探测任务,正是“绕、落、巡”,即通过一次发射,就同时实现火星环绕、火星着陆和巡视探测。

为完成这样的艰巨任务,组成“天问一号”的轨道器、着陆器和火星车总重达到5吨左右,是我国迄今为止最重的探测器。在“探火”项目正式获批立项的2016年初,我国的火箭甚至还没有能力将如此重的探测器送入太空。直到2016年11月3日,“长征五号”火箭首飞成功,中国才算有了“探火”的初步资格。

正是因为这个原因,中国空间技术研究院技术顾问、中国科学院院士叶培建在接受媒体采访时曾表示,我们丢失了2013年的窗口,失去了2015年的窗口,也不可能在2018年探测火星,绝对不能够再失去2020年的窗口。

叶培建所谓的“窗口”,指的是火星发射的最佳时间。因为火星相对地球距离遥远,最远时超过4亿公里,最近时也有5500万公里,考虑到风险、成本等因素,探测器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼转移轨道”,采用这种轨道的航天器,从低轨道转移到高轨道过程中,途中只需两次发动机点火推进,相对而言更加节省燃料,被认为是目前效率最高的“探火”路径。

然而该轨道每26个月才能出现一次,所以每隔26个月左右才能遇到一次探测火星的窗口期。

2020年的7月到8月,正是科学家经过精密计算,得出的“探火”窗口期,这也是阿联酋和美国的火星探测计划均集中这个时间段的原因。

孙泽洲说,因为受限于窗口期,“天问一号”的研制工作称得上时间紧任务重,“在全体参研参试人员‘高质量、高效率、高效益’的工作下,我国首次火星探测任务才得以顺利进行。”

31 火星景象。

火星景象。

接下来的7个月,“天问一号”要干什么?

目前,仍在工作的火星探测轨道器有6个、着陆巡视器两个。其中,轨道器为:美国的“火星奥德赛”“火星勘测轨道器”“火星大气与挥发物演变”,欧洲的“火星快车”和“微量气体轨道器”,印度的“曼加里安”;着陆巡视器为美国的“好奇号火星车”和“洞察号着陆器”。

“天问一号”能否加入它们的行列,若要获取肯定的答案,至少需要等待7个月左右。

在接下来的7个月里,“天问一号”要闯过哪些难关?

中国首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰在接受媒体采访时表示,探测器发射成功只是第一步,要圆满完成此次任务,“天问一号”还要经历地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等多个阶段。

地火转移和火星捕获,是指“天问一号”发射升空后,先在地球附近加速,进入此前所述的“霍曼转移轨道”惯性飞行,等到达火星附近时“刹车”减速,最终被火星捕获。目前,“天问一号”已经在切入“霍曼转移轨道”的路上。

“天问一号”一旦被火星成功捕获,探测器就会在环火轨道上运行,成为一颗绕火卫星。接着,探测器就开始进入火星停泊阶段。

所谓火星停泊,并不是指停在火星轨道上不动,而是在固定轨道上绕火飞行。这个阶段要持续几个月,“天问一号”将在此期间使用地面控制环绕器上的高分相机对首选着陆区进行详细勘察,并拍照成像。

一旦该阶段完成,“绕、落、巡”三大任务中的“绕”即宣告完成。接下来,则是更为激动人心的离轨着陆阶段。

虽然火星大气非常稀薄,但由于“天问一号”着陆器下降时的速度高达每小时18000公里,与大气摩擦依然会产生上千摄氏度的高温。

另外,与月球着陆不同,火星软着陆动力下降过程时间很短,而地面测控时延十几分钟,因此要求控制系统具有更高自主性和实时性。届时,“天问一号”的火星车将开启全自动驾驶模式,自主完成减速、悬停,避开火星表面复杂地形后,缓缓降落至火星表面。

这一过程难度极大,此前一些国家的火星探测计划,就是在这短短的几分钟内“折戟”失利。

随后,“天问一号”将完成“绕、落、巡”三大任务的最后一步——巡。刘彤杰总结说,探测工作主要包括照相(传回火星图像)、测物质(探测火星表面物质构成)、测环境(探测火星磁场环境等情况)、看内部(探测火星浅层地质结构)、看气象(测风、测温、测气压、测声音)等。

32 NASA发布火星表面“金伯利”地区景观。该地区的地质特征表明曾遭受流水侵蚀。

 NASA发布火星表面“金伯利”地区景观。该地区的地质特征表明曾遭受流水侵蚀。


未来期待国际合作,建立月球科研站

火星是太阳系里与地球最为相似且距离较近的行星,探测火星、了解火星起源和演化,有助于人类进一步认识地球和太阳系的形成和演化,预测地球的未来变化趋势。因此,火星成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星。

中国空间技术研究院研究员庞之浩指出,人的火星探测起步于20世纪60年代,由于政治、科技、经济、技术等原因所致,“探火”可分为三个发展阶段。

第一个阶段是1975年以前。这是 “探火”的首次热潮,共进行了23次发射。美国和苏联的竞争有其政治目的,但“探火”的成果依然显著。

第二阶段是1976—1990年。在这个时期,只有苏联进行了两次火星探测器发射,且都发射失败。形成这种局面的主要原因是两个超级大国都转移了战略重点,美国大力发展航天飞机,苏联则大力发展空间站。

20世纪90年代至今则为第三个阶段,这属于“探火”的第二次热潮,共进行了19次发射。同时,这次探火热潮主要以科学为目的,在这段时间内,欧洲航天局、印度分别成功探测火星。而且火星探测的整体成功率大为增加。

我国火星探测也正是起步于这个阶段。在“嫦娥一号”任务取得圆满成功(2007年)之后,业内专家即开始谋划我国深空探测后续发展。2010年8月,8位院士联名向国家建议,开展以远深空探测的综合论证,国防科工局立即组织专家组开展了发展规划和实施方案论证,航天科技集团五院的院士、专家团队积极参与论证工作,对实施方案进行了三轮迭代和深化,最终于2016年1月正式立项实施。

4年多后,文昌航天发射场,“天问一号”一飞冲天,中国就此站在了“探火”最前列。

那么,中国后续的深空探测任务还有哪些?

国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠表示,火星探测的起步,代表了中国在深空探测领域已确定了下一个方向,中国的行星探测形成了整体概念。他透露,“天问”系列探测任务还将继续,我国计划在2030年左右进行第二次火星探测任务,也会继续推动小行星探测和木星、土星等更远星球的探测工程。

“除了行星探测,深空探测还包括月球探测和太阳探测。今年,我国将发射嫦娥五号进行月面采样返回,这是我国探月工程三期的收官之战,后续还将探测月球南极,已规划嫦娥六号、嫦娥七号和嫦娥八号等任务,未来也期待与国际同行合作,建立月球科研站。同时,对太阳的探测也会采取多种方式进行。”刘继忠说。


2020年第14期《中国经济周刊》封面

2020年第14期《中国经济周刊》封面

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