关于“天问一号”的疑问和误区,都在这里了
2020-07-25 19:30

关于“天问一号”的疑问和误区,都在这里了

本文来自微信公众号:行星事务所(ID:haibaraemily_planets),出品:科普中国,制作:haibaraemily,监制:中国科学院计算机网络信息中心,题图来自:视觉中国


2020年7月23日下午,我国首个自主的火星探测任务“天问一号”从海南文昌发射场,搭乘长征五号遥四火箭顺利发射升空,奔赴火星。


长征五号遥四点火升空。拍摄:Tea-tia


这样的时候,想必关于天问一号的科普是全网铺天盖地目不暇接,嗨,这时候讲太细了反而不太能get到重点,所以这期的目标就是尽量简单地让大家一文了解关于天问一号的整体情况吧。


一、天问一号包括哪些?“绕着巡”三件套


天问一号火星探测任务是个大家族,包括:环绕器、进入舱(着陆架)和火星车三件套。


天问一号三件套。素材来源:CNSA


环绕器带着着陆巡视组合体抵达火星附近,进入舱带着火星车进入大气层,火星车在火星表面巡视探测。不过,环绕器对火星车的意义不止于“带一程”,它还会持续为火星车提供通讯中继。


一点土味示意图,尽力了.jpg


二、从地球到火星:最短最快抵达?想得美!


每26个月,地球上会有一小段时期特别适合发探测器去火星,事实上,人类六十年火星探测史上,绝大多数探测器都是在这样的“火星发射窗口”出发的。


最近的这个火星发射窗口就是今年7月~8月,不只是我国的天问一号,NASA的毅力号火星车(计划7月30日发射),阿联酋的希望号(已在7月20日发射)都选在这个窗口发射。


很多人直觉上会以为,这样的“时机”特殊之处在于能让探测器最快抵达火星,或者说用最短的时间、以最近的路程抵达火星。但恰恰相反,火星探测器优先选择的是一条更加漫长和遥远的旅途(也就是“地火转移轨道”)。因为对大多数不载人的探测器来说,路上多花点时间根本不是事儿,但燃料却是“无价之宝”,在火箭运力一定的情况下,探测器需要消耗的燃料越少,就越能多带点其他有用的东西,比如带更多科学仪器,进而有更多科学产出。


一言以蔽之:又省燃料又路程短又快,不存在的。鱼与熊掌不可兼得。


有赖“胖五”的运力加持,发射后的天问一号可以一次性获得足够大的速度,能被直接送入地火转移轨道。


就是这样一个环绕太阳,能和火星轨道交会的椭圆轨道(图为标准霍曼转移轨道)

探测器发射和抵达时地火相对位置。改编自:NASA


而如果火箭运力不足以让探测器达到足够高的速度(轨道)的话,探测器就需要先在地球绕上几圈(被送入地球停泊轨道),再通过自己消耗燃料点火一点一点加速(抬升轨道),最终蹭进地火转移轨道。你看,火箭给力的话,不仅能发更重的探测器,带更多东西,而且还能帮探测器省更多燃料。


地球停泊轨道中转的典型代表:印度曼加里安号

印度曼加里安号轨道:先经过地球停泊轨道的抬升,再进入地火转移轨道。来源:ISRO


探测器在地火转移轨道飞行一段时间后就能与火星自然“相遇”,途中无需一直消耗燃料,只需在择机进行的几次点火修正轨道时消耗少量燃料即可。换言之,在火星发射窗口出发,从地火转移轨道飞向火星,这是掌握物理规律的地球人总结出的尽可能节省燃料的一条路线,代价则是需要花费很长的时间,飞很长的路途。


探测器经地火转移轨道与火星“交会”的示意图,这样的发射时机每26个月出现一次。注意三点:1)发射时并不是地火距离最近的时候;2)并不是最省时间或者最短路程;3)这是探测器尽可能省燃料的路径。来源:NASA


不过,前面的图里其实只是地火转移轨道中最省燃料的一种情况——霍曼转移轨道。探测器与火星交汇时探测器刚好飞过半个椭圆,这时候探测器和火星的速度方向相切,入轨和轨道机动所需的燃料最少。霍曼转移轨道路上一般需要花费6个~11个月。


那你说我愿意多花点燃料,想再快一点,路程短一点,可不可以?可以。如果探测器在初始阶段有更高的速度,进入一个更大的椭圆轨道,那么就可以提前与火星交会,这就是快速转移。如果将来我们有载人火星任务,那么燃料相比于人就没有那么重要了,我们会更倾向于更快抵达的方案。


霍曼转移 vs. 快速转移,大小没有按比例。绘制:©haibaraemily


按目前公布的信息来看,天问一号的地火转移之旅需要在路上花费约6个半月(算是很快的了),于2021年2月抵达火星附近。


 三、抵达火星附近之后做什么?


天问一号计划在一次任务中实现“环绕、着陆、巡视”三大目标,首先需要完成的就是“环绕”。待到2021年2月,天问一号在抵达火星附近之后需要通过“刹车”减速(近火制动),被火星引力捕获,进入环火星轨道。


不过,天问一号并不会在入轨之后立刻分离着陆装置,而是和NASA的海盗号任务相似,让环绕器先经过一段时间的火星停泊轨道探测,实际考察了着陆区之后再释放着陆装置。可以说是非常谨慎了。


天问一号会在火星停泊段对着陆区进行进一步考察。改编自:参考文献 [1]


经过2-3个月的在轨运行,调整好轨道,确认了着陆区状况之后,天问一号环绕器将在2021年4月之后释放着陆巡视组合体。


四、“恐怖七分钟”?对,也不对


从进入火星大气层,到着陆火星表面,探测器需要经过一段艰险异常的路程。天问一号的着陆巡视组合体也必须经历这段严酷的考验。


人们常常把这段路程成为“恐怖七分钟”甚至“死亡七分钟”,但其实不一定。


对的地方在于:恐怖确实是恐怖的。着陆过程不仅复杂艰险,而且由于信号延迟和屏蔽,无法得到地面站的支援,一切都要靠探测器自主完成。迄今为止的火星着陆任务近一半折戟于此。


不一定的地方在于:不一定是七分钟。


事实上,目前的火星着陆任务绝大多数是抵达火星后直接着陆的,即使是欧空局的痕量气体轨道器(TGO),也是在抵达火星后先扔下斯基亚帕雷利着陆器,然后才进入环火星轨道的。这就意味着,这些着陆任务在进入火星大气层的时候速度更大,着陆过程所需的时间也更短。


典型的“恐怖七分钟”案例洞察号,进入火星大气层时速度约5.5 km/s

洞察号着陆时序。汉化自:[2]


但并不是所有的火星着陆任务都这样。如果是先减速进入环火星轨道,然后再分离着陆的话…显然,着陆任务进入大气层的速度会降低不少。以NASA的海盗号任务为例,海盗号是先环绕器进入环火星轨道,对着陆区进行了一个多月的考察之后,才择机释放的着陆器。在这种情况下,海盗号着陆器进入火星大气层的速度是4.6 km/s,比洞察号低了16%。这段着陆过程花了多久呢?大约10分钟 [3]


海盗号着陆时序。来源:NASA《海盗号任务手册》[3]


那同样采用先环绕器入轨,再择机释放着陆装置的天问一号呢?按目前公布的时序来看,天问一号着陆巡视组合体进入大气层的速度约4.8 km/s,整个着陆过程大约需要8分钟。


这是天问一号的“恐怖八分钟”

来源:果壳


五、着陆在哪里?


天问一号最初选了2个备选着陆区,有趣的是也和两艘海盗号(Viking 1和Viking 2)很像,分别是1区(克律塞平原)和2区(乌托邦平原) [1]


来源:参考文献 [1]


根据天问一号项目组最近在《自然·天文》上发表的任务介绍,目前进一步拟定的着陆区是2区(乌托邦平原)[4]——和NASA的洞察号、毅力号任务相对比较近(注意:不是火星车行驶可达的那种近啊别误会)



不过,具体的着陆区还要等到环绕器实际打探过一番才会最终确定,还要再等等啦!


六、天问一号,要探测什么?


环绕器携带7种科学仪器,火星车携带6种科学仪器。注意,这里说的都是“科学”仪器,事实上探测器还会携带诸多工程仪器,例如避障相机、监视相机、惯导装置等等。



环绕器科学仪器位置


火星车科学仪器位置(天线展开状态未显示)

火星车高约1.85米,重240公斤。已经尽力还原了orz。火星车是根据2019年的会议摘要中图还原的,跟新公布的火星车外形有一些差异,接下来还会根据实际资料完善的。参考资料: [4, 5]


这其中有些我们在嫦娥任务里就接触过的“老朋友”,例如玉兔号和玉兔二号搭载的次表层雷达(测月雷达),不过玉兔二号的两种频率雷达在尾部和底端,而天问一号火星车两种频率的雷达都在前端(总有一种一个没刹住车会戳到自己的错觉orz);也有一些我们没有见过的新盆友,例如天问一号火星车上的成分探测仪,这是一个和好奇号化学相机相似的“激光笔”,通过高能激光烧灼来远程探测物质成分。


有机会接着安排一期详聊一下每个仪器,不然这期写多了你们又不看了。


整理汇总一下,就是从火星空间环境、到表面、到次表层、到内部结构都一网打尽,还是很全面滴.jpg


火星车计划开展约90个火星日的巡视探测;而环绕器则计划开展约1个火星年(约2个地球年)的环火星科学探测。不过在此之前,我们下一个迎来的激动时刻还是抵达火星和“刹车”减速进入环火星轨道(近火制动)啦。


从地球到火星,天问一号需要克服哪些困难?文章戳:为了去火星,天问一号做了哪些准备?,视频请戳:



总之,六个半月后,火星再见!


参考文献

[1] Ye P J, Sun Z Z, Rao W, et al. Mission overview and key technologies of the first Mars probe of China. Sci China Tech Sci, 2017, 60: 649–557, doi: 10.1007/s11431-016-9035-5

[2] What to Expect When InSight Lands on Mars

http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2018/mars-insight-landing-preview.html

[3] NASA |Viking Press Handbook 

https://solarsystem.nasa.gov/missions/viking-1/in-depth/

[4] Wan, W. X., Wang, C., Li, C. L., & Wei, Y. (2020). China’s first mission to Mars. Nature Astronomy, 4(7), 721-721.

[5] 李春来,刘建军,耿言,等. 中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J]. 深空探测学报,2018,5(5):406-413.


本文来自微信公众号:行星事务所(ID:haibaraemily_planets),出品:科普中国,制作:haibaraemily,监制:中国科学院计算机网络信息中心

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