「天問」升空 七個月後,火星見

2020-07-25 光明網
「天問」升空 七個月後,火星見「天問」升空 七個月後,火星見

我國首次火星探測任務「天問一號」探測器成功發射 (新華)

「天問」升空 七個月後,火星見

昨日12時41分,長徵五號遙四運載火箭搭載我國首次火星探測任務「天問一號」火星探測器在海南文昌航天發射場成功發射,我國深空探測邁出嶄新的一步。

「天問一號」將經歷7個月左右的長途跋涉,突破極其遙遠距離,到達火星並開展環繞和巡視探測。□北晚 新華

環繞、著陸、巡視探測一步完成

火星是離地球較近且環境最相似的星球,一直是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。

通過以往對火星的探測,人們在火星上發現了存在水的證據。火星上是否存在孕育生命的條件以及火星是地球的過去還是未來?這些問題一直縈繞在科學家心頭,成為火星研究的重大科學問題。

我國首次火星探測任務憑藉火星環繞器和著陸巡視器的超強陣容,可一步實現火星「環繞、著陸、巡視」三個目標,這是其他國家在首次實施火星探測任務時從未實現過的。

「天問一號」任務火星探測器由環繞器和著陸巡視器組成,其中著陸巡視器又由進入艙和火星車組成,進入艙完成火星進入、下降和著陸任務,火星車配置了多種科學載荷,在著陸區開展巡視探測。

此次火星探測任務的工程目標是實現火星環繞探測和巡視探測,獲取火星探測科學數據,實現我國在深空探測領域的技術跨越;同時建立獨立自主的深空探測工程體系,推動我國深空探測活動可持續發展。此次火星探測任務的科學目標,主要是實現對火星形貌與地質構造特徵、火星表面土壤特徵與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星物理場與內部結構等的研究。

火星環繞器上共搭載7種有效載荷,可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測。其中,中解析度相機可對火星全球開展地形地貌普查,高解析度相機可對火星重點地區開展局部高解析度地形地貌詳查,將為火星拍下來自中國的「定妝照」。

奔「火」路上困難重重

從地球到火星最遙遠的距離大約4億公裡,這麼遠的距離對於「天問一號」火星探測器來說是「蜀道難,難於上青天」。截至今年6月底,國際上共發射了44個火星探測器,但任務成功概率只有50%左右。

火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一,在火星探測器從地球飛向火星的過程中,能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推,探測器獲得了擺脫地球引力的能量,使用精心設計的轉移軌道,探測器能夠最終順利抵達火星附近。

然而,受限於攜帶的推進劑有限,環繞器在抵達火星後,必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公裡,而此時探測器相對火星的速度高達4到5公裡每秒,一不留神就會撞擊火星或飛離,捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。

由於捕獲時探測器距離地球1.93億公裡,單向通信時延達到10.7分鐘,地面無法對這一制動過程進行實時監控,只能依靠探測器自主執行捕獲策略。在制動過程中,環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理,最大限度保證火星捕獲成功。

環火飛行階段,由於地球和火星的運行規律,探測器距離地球最遠達到4億公裡。為了解決超遠距離通信問題,火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統,實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。

通常情況下,環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由於探測器到地球的距離遠,通信延時大,無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。

探 秘

送「天問」探火星 為何只能靠「胖五」

執行「天問一號」發射任務的長徵五號火箭是我國最高、體積最大、運載能力最強的火箭,起飛質量約870噸,具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸的運載能力。因為體型比其他長徵火箭更加寬大,長徵五號運載火箭也被親切地稱為「胖五」火箭。

中國未來的載人航天工程空間站建設、探月工程三期以及火星探測任務,都將使用長徵五號運載火箭。 □新京

飛出中國運載火箭最快速度

此次發射是長徵五號系列運載火箭的第五次發射任務,也是首次執行應用性發射任務。長徵五號遙四火箭加速到超過11.2千米/秒的速度,之後完成分離,直接將探測器送入地火轉移軌道。火箭末級則相當於太陽系的人造行星,將繞太陽運轉。

當太空飛行器的速度達到每秒11.2千米的第二宇宙速度時,就可以完全擺脫地球引力,去往太陽系內的其他行星或者小行星,因此,第二宇宙速度也被稱為「逃逸速度」。這是長徵五號火箭第一次達到並超過第二宇宙速度,飛出了我國運載火箭的最快速度。

此次任務也開創了我國深空探測器重量的新紀錄。「天問一號」重量接近5噸,由環繞器、著陸器和巡視器組成,比「嫦娥四號」月球探測器重了1噸多,是目前我國發射的重量最重的深空探測器。在世界範圍看,達到這一重量的火星探測器也是屈指可數。

在長徵五號火箭之前,我國運載能力最強的長徵三號乙火箭,大約可以將2噸左右的探測器送入地火轉移軌道,而長徵五號的地火轉移軌道發射能力超過了5噸。因此,發射「天問一號」這樣的大號探測器,只有「胖五」能夠勝任。

唯一可勝任三類任務的火箭

至此,長徵五號系列運載火箭已完成了高軌大衛星、載人飛船試驗船及深空探測器三類太空飛行器的發射,成為長徵火箭家族中唯一可以勝任三種任務類型的火箭。

在發射高軌道大衛星方面,長徵五號火箭將我國地球同步轉移軌道(GTO)運載能力從5.5噸提高到14噸,可以滿足新一代衛星平臺的發射需求,與長徵三號甲系列火箭共同構成了發射高軌道衛星的能力階梯。

據長徵五號火箭總設計師李東介紹,我國未來高軌衛星重量可以達到8噸左右,只能通過長徵五號火箭發射。同時,在搭配合適的上面級後,長徵五號火箭也可以用一箭雙星的形式同時發射兩顆5.5噸重量的高軌衛星。

長徵五號火箭將我國深空探測的對象從月球拓展到了太陽系內行星。此前,長徵三號甲系列火箭承擔了月球探測器發射任務,相繼發射了從「嫦娥一號」到「嫦娥四號」。但是,在更遠的深空探測和更重的探測器發射任務中,長徵五號優勢更為突出。長徵五號火箭可以把5噸的載荷送入地火轉移軌道,足夠攜帶著陸器和巡視器,使得一次發射實現對火星的「繞、落、巡」三類探測成為可能。

將執行嫦娥五號與空間站任務

從去年年底開始,「胖五」系列迎來了誕生以來首輪高密度發射。按照計劃,長徵五號遙五火箭也將在今年實施發射,將嫦娥五號探測器送入地月轉移軌道,完成我國首次月球採樣返回任務。

明年起,長徵五號B火箭將成為我國空間站核心艙和實驗艙的「專屬列車」。長徵五號B運載火箭與長徵五號火箭同屬長徵五號系列火箭,專門為載人航天工程空間站建設而研製,擁有長度達到20.5米的國內最大整流罩,近地軌道(LEO)運載能力達到25噸級,將在未來兩到三年時間內,完成我國空間站艙段的發射。

2021年一季度,長徵五號B火箭將再次出徵,執行空間站核心艙的發射任務。從去年10月長五遙三進場算起,到明年長五B遙二發射空間站核心艙,一年半共執行5次發射任務,對於長五來說,已經算是高密度。長徵五號成為新一代運載火箭中首個進入高密度發射的型號,也預示著新一代火箭正逐步走向舞臺中央。

首次火星探測 為何取名「天問」

中國古代稱火星為「熒惑」,其中「熒」代指火星由於土壤富含氧化鐵而發出的紅光,「惑」則出於古人對火星運行缺乏規律而感到的困惑。

本次火星探測任務中的「天問」一詞,出自古代著名詩人屈原所著《楚辭》中的同名長詩《天問》。全詩通篇是對天地、自然和人世等一切事物現象的發問——

遂古之初,誰傳道之?

上下未形,何由考之?

冥昭瞢暗,誰能極之?

馮翼惟象,何以識之?

「宇宙誕生之初的情況人們是怎麼知道的?天地未分,混沌無垠,是誰考定而知之的?幽明之理,難知難曉,誰能窮極其本源?天地既分,惟象無形,何以識知它的形象?」

早在先秦時期,屈原就已對當時的天文學提出了質疑,這是可貴的科學精神萌芽。這與如今科學家們對火星的不斷探究精神不謀而合。

(光明)

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