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中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射,迈出中国行星探测第一步

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 导读:中国第一次独立“探火”开始了新征程。这是一次不寻常的出征,也是一次充满中国人创新精神的壮举。不仅使用无害化燃料,而且在学习借签其他先进经验后,完全是一国自主独立完成的。在7个月“探火”行程的结束后,有望成为世界“探火”俱乐部的新成员,这也是中国行星探测跨出的关键一步。我们预祝这次“探火”取得圆满成功!

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中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射,迈出中国行星探测第一步

2020年07月23日  央视  新华社等

7月23日13时25分,中国在海南岛文昌航天发射场,用长征五号遥四火箭成功发射首次火星“天问一号”探测器,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了行星探测第一步。由于火箭用的是无害化的液态氢和液态氧,燃烧后变成了水汽,在现场浓烈火焰下边看到有浓浓的水汽外漫,情景非常壮观。

“天问一号”探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。

首次火星探测任务工程目标,一是突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术,实现火星环绕探测和巡视探测,获取火星探测科学数据,实现我国在深空探测领域的技术跨越;二是建立独立自主的深空探测工程体系,包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍,推动我国深空探测活动可持续发展。

火星探测任务科学目标,主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等研究。

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火星探测任务于2016年1月立项,由国家航天局组织实施,具体由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用等系统组成。国家航天局探月与航天工程中心为工程总体单位,中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院研制运载火箭系统,中国空间技术研究院、上海航天技术研究院研制探测器系统。中国卫星发射测控系统部组织实施发射、测控。中国科学院国家天文台研制地面应用系统、负责科学数据接收、处理、存储管理等工作。

火星探测器发射五大看点是什么呢?

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火星(Mars)是太阳系的8大行星之一,距离太阳第四近,和地球相隔较近。火星表面是红色的,地表岩石中大量是赤铁矿(氧化铁),故被称作红色星球。火星上一天几乎和地球一样长,白天黑夜交替规律与地球上相似,由于它的自转轴稍有倾斜,也有四季。几十亿年前,火星比现在更像我们地球,如今的火星虽空气稀薄,但毕竟还有大气,又有河流冲刷留下的痕迹,而且火星的两极地区还有干冰(固体二氧化碳)。

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1969年7月,人类第一次在月球上行走,而仅仅50年后,人类就计划在不远将来把人类送上火星。美国宇航局称,计划在2033年将人类送上火星。美国已成功在这颗红色星球上着陆8艘宇宙飞船,包括机遇号和洞察号。虽然宇宙飞船对火星进行了特殊研究,但与人类亲自探索还是有很大的不同。尽管人类登陆火星的想法令人兴奋,但在探索火星的过程中,还会遇到许多问题。如长期的沙尘暴和异常高的辐射水平,对食物供应和整体健康的担忧,等等。

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1. 世界首次:一步实现“绕、着、巡”

火星是离地球较近且环境最相似的星球,一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。目前,人类已对火星实施了44次探测任务,其中成功了24次,火星是目前人类认识最深入的行星之一。

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通过以往对火星的探测,人们在火星上发现了存在水的证据。火星上是否存在孕育生命的条件以及火星是地球的过去还是未来?这些问题一直萦绕在科学家心头,成为火星研究的重大科学问题。

我国首次火星探测任务凭借火星环绕器和着陆巡视器的超强阵容,可一步实现火星“环绕、着陆、巡视”三个目标,这是其他国家在首次实施火星探测任务时从未实现过的。

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相比月球探测,火星探测任务的难度更大。由于火星相对地球距离较为遥远,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术领域都提出了很高的要求。

中国航天科技集团八院“天问一号”探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍,研制团队不仅攻克了火星制动捕获、长期自主管理等关键技术难点,更实现了地火间的超远距离测控通信,并将通过环绕探测实现火星全球性、综合性探测,完成火星表面重点地区高精度、高分辨率精细详查。

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2. 临门一脚:制动捕获“踩刹车”

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一,在火星探测器从地球飞向火星的过程中,能够被火星引力所捕获的机会只有一次。利用火箭助推,探测器获得了摆脱地球引力的能量,使用精心设计的转移轨道,探测器能够最终顺利抵达火星附近。

然而,受限于携带的推进剂有限,环绕器在抵达火星后,必须把握住唯一的机会对火星进行制动捕获。此次火星探测任务捕获时探测器距离火星仅400公里,而此时探测器相对火星的速度高达4到5公里每秒,一不留神就会撞击火星或飞离,捕获的成功与否成为火星探测任务成败的关键。

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在这一制动捕获过程中,火星环绕器面临诸多挑战。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里,单向通信时延达到10.7分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。此外,在制动过程中,环绕器需要在自身出现突发状况时自主完成相应处理,最大限度保证火星捕获成功。

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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介绍,捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,如果制动点火时间过长,探测器速度下降过多,探测器就会一头撞上火星,如果制动点火时间过短,探测器速度过快,就会飞离火星从而无法进入环绕轨道,这对环绕器的自主导航与控制提出了极高要求。

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3. 4亿公里:超远距离深空通信

环火飞行阶段,由于地球和火星的运行规律,探测器距离地球最远达到4亿公里。为了解决超远距离通信问题,火星环绕器装备了测控数传一体化系统,实现了系统重量轻、通信效率高、通信链路可靠的目标。

为补偿空间衰减,火星环绕器配置了大功率行波管放大器以及大口径可驱动的定向天线,大幅度提高探测器到地球通信能力。

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4. 自主管理:探测火星需要会思考的“大脑”

通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但火星环绕器由于探测器到地球的距离远,通信延时大,无法完全依靠地面指令对星上出现的突发状况进行实时处理。

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此外,环绕器与地面站通信有其空间的特殊性,导致通信中断(“日凌”)的时间最长可达30天,期间需依靠自身完成长期任务管理,并在出“日凌”后及时调整天线指向,迅速重新与地面建立联系。

据悉,在此次火星探测任务的关键节点,自主管理同样需要发挥巨大作用。在火星探测器进行环绕器与着陆巡视器分离时,环绕器需在短时间内完成3次调姿和2次变轨,对姿态及位置测量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在轨管理系统,火星环绕器才能够精准、及时地完成与着陆巡视器的分离。

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5. 多样载荷:给火星拍个“中式定妆照”

此次火星环绕器上共搭载7种有效载荷,可对地火转移空间、火星轨道空间、火星表面及其次表层开展科学探测,获取行星际射电频谱数据、火星表面图像、火星地质构造和地形地貌、火星表层结构和地下水冰分布、火星矿物组成与分布、火星空间磁场环境、近火星空间环境和地火转移轨道能量粒子特征及其变化规律。

其中中分辨率相机可对火星全球开展地形地貌普查,高分辨率相机可对火星重点地区开展局部高分辨率地形地貌详查,将为火星拍下来自中国的“定妆照”。

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火星是离太阳第四近的行星,与地球邻近且环境最为相似,是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。国际火星探测已取得了丰富成果,发现了曾经有水、甚至现在还存在水的若干证据,极大激发了人们在火星寻找生命的热情,也成为当前国际深空探测的热点。

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受天体运行规律约束,火星探测窗口每26个月一次,并且窗口时间较短。1996年以来,几乎每个发射窗口都有火星探测器发射,今年更是迎来了多国齐聚火星发射窗口,共同奔赴火星,开启深空探测的新高潮。

中国首次火星探测任务的科学目标,主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等研究。

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二、前NASA太空任务科学家李杰信,详解火星探测要点

2020年07月23日  新浪科技综合

对火星的关注,是中华民族历史上不变的情怀。中国在月球为嫦娥和玉兔盖了广寒宫,也想把红色的火星和关云长的赤兔马挂钩。中国的“嫦娥”和“玉兔”已成功登陆月球,一步就是要去拜访火星。火星远在天边,登陆月球和登陆火星所需的太空科技,有着质的差异。去火星第一件所需的神器就是一枚大推力的火箭。中国在1986年就已经开始筹划这枚大型火箭前期论证和攻关,经历了20年艰难研发,终能在2006年10月开始制造这枚火箭。

人类火星探测全家福图片。约略估计,成败各半。感谢“美国行星学会”戴维斯先生授权刊载|Credit: Publication permitted by Mr。 Jason Davis of The Planetary Society/USA

人类火星探测全家福图片

中国富强了,才有能力开发这枚符合现今世界最高水平的强力火箭。第一,推力要达到比“长征二号”高出3倍的25吨级低地球轨道能力;第二,火箭要使用“非自燃”无毒性推进燃料。第二个要求更重要,如此巨大推力的火箭,不好再使用强毒推进剂“四氧化二氮/偏二甲肼”。最受尊重的选择是低温液氢和液氧推进燃料,燃烧后产物为水,对环境无害。但低温液氢和液氧燃料比重较低、推力小,为使火箭能携带更大载荷,发射场地越接近于赤道,就能得到地球自转给予的附加载荷。中国把这枚名为“长征五号”,又称“胖五”的火箭航天发射场地,设在中国最南----海南岛文昌市。

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1. 不到火星非好汉

“十年磨一剑,霜刃未曾试”。2016年11月3日,“胖五”于文昌发射场首次发射成功。2017年7月第二次试射时第一节火箭液态氢氧发动机异常,发射失败。2019年12月27日,“胖五”第三次试射成功,将“实践20号”实验通信卫星送入地球静止轨道,终于铺好中国火星探测的高速路。

中国的低温液氢和液氧燃料推进火箭“长征五号”,又称“胖五”,经30余年的研发,于2019 年12月27日,试射成功,三锤定音。|Credit: Creative Commons Attnbution 4.0 International,篁竹水声

中国低温液氢和液氧燃料火箭“长征五号”又称“胖五”三锤定音

中国必须有独立自主创造的大火箭,才能执行火星的探测任务。中国和俄罗斯2011年11月的合作项目“火卫一登陆号”,用的是俄罗斯发射火箭,中国提供了一颗火星轨道卫星搭载,但因俄罗斯火箭故障,连地球轨道都没有脱离成功,更无法轮到考验中国“萤火一号”的各项性能,就偃旗息鼓了。

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2019年,“胖五”进展顺利,中国在可靠的火星火箭基础上,向世界宣布“火星,我来了!”。中国决定于2020年的火星发射窗口开放时期中的7月23日 (下表为火星“冲”的日期和此时地球--火星距离),用“胖五”载着“天问一号”,首途火星。

“冲”的日期/地球与火星的距离

“冲”的日期/地球与火星的距离

2003年8月28日到2018年7月27日间,地球和火星在它们椭圆形轨道上“冲”的位置。

去火星的宇宙飞船要在地球落后火星44度时出发,才刚好在259天后赶到太阳对面与火星会合。宇宙飞船与火星会合时,地球已经走到了火星前面75度。地球落后火星44度时,地球的发射窗口开放,约30天。

去火星的宇宙飞船要在地球落后火星44度时出发,刚好在259天后赶到太阳对面与火星会合

“天问一号”任务包括轨道卫星与登陆器和火星漫游小车。轨道卫星相机在400千米高度,可看清楚小到2米的地表物体。火星漫游小车上置有100米级的地表穿透雷达、多光谱相机、计磁仪、气象仪、地表合成物探测器及导航相机等。

中国火星漫游小车示意图|Credit:CICphoto

中国火星漫游小车示意图

“天问一号”轨道卫星和地面漫游小车都携有计磁仪。“天问一号”天上地下双管齐下同时测量,能进一步绘制出更详细的火星磁场分布图。“天问一号”除了期盼获取登陆火星和在火星上运作的实验外,也为2030年中国火星双程取样任务做准备。火星漫游小车可能寻找到一块最适合送回地球的火星矿石,标明发现地点经纬度,演练打包处理过程,静候 2030年地球物流快递取货。

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中国第一次火星任务成功得满足几个硬要求:第一,“胖五”一定要把“天问一号”送入火星轨道;第二,漫游小车一定得登陆成功。日本的第一次任务连火星都没追上。而印度聪明取巧避重就轻,成功至上,只肯试火星轨道卫星,入轨成功就大肆宣扬。欧洲航天局两次火星任务,轨道卫星成功,登陆器连连败北。

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进入火星轨道已不容易,登陆火星就更难上加难。中国“胖五”经30余年研发制作,应已造就金刚不坏之身,把“天问一号”送入火星轨道,应在合理期盼范围。登陆是火星任务最困难的部分,通过成功登陆火星的烈焰灼炼,中国将取得太空科技强国的钻石会员卡。目前只有美国有钻石卡会员,俄罗斯尝试登陆火星5次,仅“火星3号”勉强算上成功,登陆90秒,仪器只工作了20秒。俄罗斯仅够得上银卡资格。

中国登陆火星的地点,经过反复论证,决定扬弃金色平原,以乌托邦平原为登陆首选。乌托邦平原是火星上,也是太阳系中最大的陨石盆地,直径3300千米,为火星直径之半,也是1976年“海盗二号”登陆地点。

人类登陆火星最给力的几架探测器在火星地表的分布图。新一代仪器的主要目的是实现人类“跟着水走”的21世纪火星探测策略。|Credit:NASA/JPL

人类登陆火星最给力的几架探测器在火星地表的分布图

中国火星登陆采取在火星大气中以超音速降落伞和反射火箭减速软着陆。因导航和进入火星大气时,登陆是火星任务最困难的部分登陆的椭圆不定范围为40千米×100千米,为美国1996 年“火星探路者号”登陆椭圆面积的五分之一,是美国最先进“火星科学实验室”新一代全程反射火箭控制登陆椭圆面积的 29 倍。中国在乌托邦平原有两处候选登陆地点,美国的MRO/HiRISE特别为中国在火星乌托邦平原可能登陆地点之一摄得了一幅高清图像。

美国的MRO/HiRISE 特别为中国在火星乌托邦平原可能登陆地点之一摄得的高清图像

2020年1月23日,中国宣布“胖五”已完成最后一次液氢液氧火箭引擎100秒点火检测。通过这个严格验收关卡后,“天问一号”载荷就可以开始组装了。中国的火星任务,升火待发。

2. 人类登陆火星的魔障

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2020年的火星发射窗口,在7月初开始开放。除了中国以外,美国和阿联酋也抓住这次火星探测机会,各显神通。

又花费美国纳税人21亿美元的“火星2020”任务,将携带“毅力号”漫游车,预定7月30日出发,2021年2月降落于“海盗二号”西南方约 3300千米处的“杰泽罗陨石坑”,主要任务是寻找古代生命的迹象,并仔细推敲出一个实际可行的火星双程取样任务。火星虽然大气稀薄,不及地球的百分之一,好像支撑不了飞机所需的浮力,但美国要送上去一架迷你直升机,首试在火星地表气体动力飞行器的可行性。

与美国“毅力号”漫游车(背景远处)一起登陆的迷你“火星直升机侦察兵”示意图。|Credit:NASA/JPL

与美国“毅力号”漫游车(背景处)一起登陆的迷你“火星直升机侦察兵”示意图

美国有史以来所有登陆火星探测器的总览图。“好奇号”(Curiosity)和“洞察号” (InSight)仍在工作状态,“毅力号”(Mars 2020)将在2021年2月18日在“海盗二号”西南方约3300千米处的“杰泽罗陨石坑”登陆。| Credit:NASA/JPL

美国所有登陆火星探测器总览图,“好奇号”(Curiosity)和“洞察号” (InSight)仍在工作

人类使出浑身解数,规划出未来30年登陆火星所需的科技和在太空环境工作、生活和居住的设备。美国的太空策略,由白宫掌控,常沦落为政客的政治筹码。人类登陆火星计划需要跨越现实的政治时空,在艰难多变生态环境中,稳步前行。

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NASA运用最强大、最符合科学和工程逻辑发展出来的人类登陆火星愿景图。中间上方两枚火箭,是美国为登陆火星设计出来的专用火箭,上面较小的为25 吨低地球轨道推力级别,命名“战神一号”,推力和“胖五”相当,但为载人火箭,造价至少是非载人火箭的十倍多。下面为 188 吨低地球轨道推力级别的载货火箭,命名为“战神五号”。目前,这两枚火箭仍在库藏冬眠,耐心等候外界政治复苏后,再披战袍出征。

人类登陆火星的愿景图 |Credit:NASA/JPL

人类登陆火星的愿景图 

火星和地球的距离“大冲”时可近到5500万千米,约0.37天文单位,最远时可达2.5 个天文单位,双程通信需时370~2500秒,约6~40分钟。所以与火星通信,都有较长时间延迟。人类送上火星的探测器,皆运用人工智能全自动操作,只在一些设计好的关键时刻,需要地球基地启动指令进行特殊操作。目前美国在火星轨道上布置的几颗卫星,基本满足地面仪器“好奇号”“洞察号”和以后“毅力号”火-地中继通信需求。

人类目前在火星轨道上布置的几颗卫星,基本满足地面仪器火-地中继通信需求。| Credit: NASA/JPL

人类目前在火星轨道上的几颗卫星,基本满足地面仪器中继通信需求

地球与火星之间的通信,需24小时畅通无阻。因地球自转原因,不管何时,一半以上宇宙空间不在单一射电视线范围,人类围绕地球每隔120经度就得要设一个深太空联络站,彼此相互扶持,以覆盖与火星通信不间断。美国设置三个主力“深空联络设施”,一在美国加利福尼亚州戈尔德斯通,另一在西班牙马德里,第三个在澳洲堪培拉近郊。1998年和2013年经特别安排,作者拜访了堪培拉和戈尔 德斯通的 “深空联络设施 ”。

经特别安排,作者在1998 年和2013 年,前后拜访了堪培拉(右下角)和戈尔德斯通的“深空联络设施”,两处射电天线直径分别为72及70米。|Credit: NASA/JPL

李杰信前后拜访堪培拉和戈尔德斯通的“深空联络设施”

中国的“天问一号”,如“嫦娥”为“玉兔”准备的“鹊桥”卫星一样,也为地面漫游小车自备了专用轨道通信卫星,将是火-地最新型中继卫星,必要时一定能和美、欧卫星互援,通过“深空联络设施”增强人类火-地通信能力。

 (改写编辑:未平)


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中国 火星探测 天问一号 探测器 发射 第一步

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