探测火星八大关卡,“天问一号”到了哪一关?
2020-07-23 19:22

探测火星八大关卡,“天问一号”到了哪一关?

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!


本文来自于微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:太空精酿,头图来自: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。


从发射到着陆,天问一号要经历哪些?看视频!别眨眼


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天内地球绕太阳运行了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之前几个月、火星相对于太阳的位置领先于地球特定角度的时候出发,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引力的巨大影响,而太阳的质量是地球质量的30余万倍。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,漫漫长路,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。“天问一号”的轨迹耗时7个月左右,预计于2021年2月中才能抵达火星,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(图片来源: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,地球和火星距离将达到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,极度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(图片来源:中国航天局)


在随后环绕火星的约2个月内,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,过大着陆器会过热焚毁,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(图片来源: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,“刀尖上的舞者”在火星表演着陆艺术。


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(图片来源:中国航天局)


探测火星不仅是工程任务的突破,更是行星科学领域的突破。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(图片来源:中国航天局)


第八关,美丽的火星,“天问一号”将看到你的真面目!


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、着、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!


(图片来源:中国航天局)


“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。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。


本文由科普中国融合创作出品,太空精酿制作,中国科学院计算机网络信息中心监制,“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。


本文来自于微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:太空精酿

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