天问一号,发射升空!

作者: 贾阳, 贾思航

来源: 科学世界

发布日期: 2020-07-23 17:47:59

2020年7月23日,中国首个火星探测器“天问一号”发射升空,标志着我国行星探测的开始。探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后到达火星,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。此次任务将实现绕、落、巡三个目标,挑战高难度系数动作,体现了我国航天技术的发展水平和航天工程技术人员的自信。

7月23日12时41分,在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,由长征五号遥四运载火箭搭载的我国首个火星探测器“天问一号”发射升空,迈出了我国行星探测第一步。“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。成功发射,只是火星征程的万里长征第一步。

中国的航天工程师这回挑战的可是高难度系数动作,一次任务实现绕、落、巡三个目标。火星在夜空中看起来呈橘红色,荧荧像火,亮度常有变化,相对恒星背景的运动方向,时东时西令人迷惑,所以我国古代称它“荧惑”。西汉时期,司马迁将肉眼可视的五大行星与春秋战国以来的“五行”学说联系在一起,把这颗橘红行星命名为火星。

因为火星的颜色令人想到血光,在西方则是用战神的名字来命名它,天文学界用符号♂表示,像是战神背挎着箭囊。这次火星探测任务是中国航天的首次远征,意义重大,任务过程中看点多多,值得期待。深空探测一般是指脱离地球引力场、进入太阳系空间和宇宙空间的探测。中国的月球探测工程包括绕、落、回三个阶段,前两个阶段已经圆满完成,取样返回阶段的工作即将于2020年年底收官。

在月球探测工程实施的过程中,中国人也把目光投向更远的深空,如果说月球探测是中国深空探测的1.0版,那么我国首次火星探测任务就是中国深空探测的2.0版。首先要考虑的问题就是这次任务的探测形式。环绕探测仍是主要探测形式之一,包括火星重力场、磁场、表面地形地貌等目标的全局探测。软着陆探测可以对火星表面进行多种探测手段的全面、深入探测,巡视探测更将扩大火星表面精细探测的范围,是火星探测最重要的形式之一。

综合上述考虑,中国的航天工程师决定这次挑战个高难度系数的动作,一次任务实现绕、落、巡。

这样做的好处是:环绕器开展全球普查,火星车对重点地区详查,两个结果可以相互比对、相互验证,点面结合;在进入火星大气之前,环绕器已经帮助进入舱完成了一次减速,与从行星际地火转移轨道直接进入火星大气相比,降低进入速度,减少进入风险;火星车的探测数据可以通过环绕器中继传输到地球,地面的指令也可以先发送至环绕器,再转到火星车上,这样就不需要在火星车上配置米级口径的大天线了,大幅度降低火星车设计的复杂性。

当然,这样做也是有风险的:任务形式的复杂性,导致对两个探测器的可靠性要求都很高—没有环绕器的支持,火星车在火星表面的工作将变得十分困难;进入火星之前,环绕器将进行降轨,瞄准之后释放进入舱,接着必须马上完成升轨控制,避免环绕器也进入火星大气层,一系列轨道控制动作时效性要求很高;环绕器的工作安排,既需要考虑环火遥感的需要,又需要考虑为火星车提供数据中继的需要,变得更复杂。

总体上看,这样的探测方式起点设置很高,没有走国际火星探测的寻常路,有创新,也有难度,体现了我国航天技术的发展水平,以及航天工程技术人员的自信,当然这种自信是建立在月球探测取得的丰硕技术成果基础上的。这次任务的第一个看点就是发射。火星探测器将由长征五号(昵称“胖五”)在海南文昌发射。

之所以选择胖五,是因为此去火星路途遥远,探测器任务复杂不可能很轻,胖五之外的火箭无力将如此重量的探测器送入飞向火星的轨道。受运载能力的限制,最经济的选择就是利用霍曼转移轨道,这条轨道近日点对应着探测器发射时地球的位置,远日点则对应着探测器近火捕获时火星的位置,火星和地球绕日运转的周期,决定了合适的发射时机大约每26个月出现一次。发射之后半年多,才是这次任务的第二个看点:近火捕获。

近火捕获就像是一次刹车,只是这次刹车的时间、位置和力道必须十分精准,否则就不能使探测器成为环绕火星飞行的卫星,而是飞向深空其他地方,再想回到火星附近就很难了。第三个看点就是EDL,也就是进入、下降、着陆过程。EDL过程只有短短的七八分钟,却是整个任务中最惊心动魄的时段。EDL之前的准备工作也很复杂。探测器降轨,瞄准着陆点之后,环绕器与进入舱分离。环绕器立即升高轨道,确保自身安全。

进入舱则以合适的角度扎入火星大气层。EDL阶段开始的时候,进入舱的速度是每秒几千米,结束的时候,相对火星表面的速度是零,可见这是一次更猛的刹车。进入舱高速进入,主要成分为二氧化碳的火星大气与进入舱大底作用,产生气动阻力,同时大底的温度开始升高。大约5分钟后,进入舱的速度就会从4.8千米/秒减速90%,这是最主要的减速段。接下来的一分多钟,降落伞弹出,继续利用大气把速度降低到大约80米/秒。

其后的不到一分钟时间,是发动机工作的时段,进入舱在减速的同时,会在距离火星表面大约100米的高度对预选着陆区进行观察、分析,寻找最安全的着陆地点。着陆火面时最后的动能依靠进入舱的四条着陆腿缓冲吸收,这时苍凉的火星大地将迎来第一个来自中国的探测器的造访。火星车效果图。

接下来需要十几天时间,火星车完成机构的解锁,对周围环境进行拍摄,并把数据传送至环绕器,地面根据周围地形障碍情况,确定火星车驶离着陆平台后向哪个方向前进。火星车到达火星表面后,将立即开始探测、感知环境、移动等工作。期待!希望“天问一号”能给我们带来更多关于红色星球的信息。

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