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中国历史性一天,火星探测器“天问一号”发射成功

十年磨一剑!“胖五”将火星探测器送上天,“绕、落、寻”一步到位。

文|智东西记者 信仪

智东西7月23日消息,刚刚,12时41分,我国搭载“天问一号”火星探测器的长征五号火箭成功发射,这是我国完全自主实现火星探测的第一步!

我国此次火星探测任务可谓是前无古人、后无来者,将首次实现火星探测器发射“绕、落、寻”一步到位,这是美国、俄罗斯,包括前苏联都没有做到的。

▲搭载天问一号的长征五号火箭发射

火箭发射的威力之大,连摄像画面都受到了波及。

我国的火星探测器发射任务“天问”的名称取自屈原的长诗《天问》:

遂古之初,谁传道之?

上下未形,何由考之?

“请问远古开始之时,谁将此态流传导引?天地尚未成形之前,又从哪里得以产生?”寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。

中国自主的火星探测任务自2010年开始启动,2018年火星探测任务飞控团队成立,十年的坚守换来了中国火星探测任务第一步成功迈出。

下面来看“天问一号”到底牛在哪?中国的火星探测计划经历了怎样的过程,全球主要科技强国又为何选择今年密集发射火星探测器。

首次火星探测器发射“绕、落、寻”一步到位

这次发射任务由长征五号火箭,也就是我们说的“胖五”完成,因为火箭质量越大,其载荷能力越强。这次天问一号的总重量达到了5吨,火星轨道飞行器重量3175公斤,都需要“胖五”把它们送上太空。

▲长征五号火箭“胖五”

此次火星探测是我国行星探测阶段的首次任务,也是深空探测领域全新的里程碑。这次我国将“环绕、着陆、巡视”三个目标一气呵成,这一挑战前所未有。

天问一号探测器由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,将一步完成绕、落、巡三步,这将是世界上首次探索火星即完成软着陆的任务。

▲火星探测任务示意图

天问一号在发射后,将由运载火箭送入地火转移轨道,飞行至7个月抵达火星,经历火星捕获、火星停泊后,着陆巡视器与环绕器分离,进入火星大气。

▲天问一号发射后进入地火转移轨道,着陆巡视器与环绕器分离

然后,在着陆巡视器成功着陆后,会将“体内”差不多一个小型高尔夫球车大小的的火星车吐露出来,火星车驶离着陆平台,搭载的科学载荷开机,展开像蝴蝶翅膀一样的4块太阳板,开始火星表面巡视探测,帮助调查火星的地层、结构以及冻土或冰的存在。

▲着陆巡视器成功着陆后,火星车驶离着陆平台

缓慢脱离着陆器后,太阳能火星车预计将在火星上运行至少 90 天,并使用轨道飞行器作为通讯中继机。轨道飞行器将继续运行大约一火星年(约 23 个月)。

▲中国2020年火星探测计划预定着陆区 图源:格致论道

此外,天问一号将使用我国独立的深空网,西安卫星测控中心喀什深空站、佳木斯深空站将为其提供全程测控支持。相比探月任务,对火星探测器最远将近 4 亿公里的探测距离,以及近 7 个月的地火转移时间,对测控通信系统而言将是前所未有的考验。

▲天问一号探测计划

火星车是什么样的?要完成什么目标?

我国第一台火星车的高度有1.85米,重量达到240公斤左右。火星车上搭载了6种有效载荷,包括地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪,为完成探测任务提供保证。

▲第一台火星车

同时,为了适应火星的地表环境,火星车还具备环境感知、障碍识别、局部路径规划、多轮运动协调控制等功能。

中国首次火星探测任务工程副总指挥、探月与航天工程中心主任刘继忠表示, 火星车在火星上依靠太阳能来获得能源,它的设计寿命为3个火星月,相当于约92个地球日。期间,火星车将对火星的地质、环境、气象等进行探测,人们可直观地了解火星和地球环境的异同。

▲火星车上搭载的各种仪器

这次火星探测任务计划将完成6个科学目标,分别是:

1、 火星全球和着陆器地形地貌、物质成分的探测与研究

2、 火星全球和着陆器土壤厚度、成分及其分布

3、 火星全球与着陆器次表层地下水体的分布

4、 火星重点地区(着陆候选区)的详查

5、 火星磁层、电离层、大气层及其气候特征

6、 火星物理场(磁场、重力场以及内部结构)探测

相对于载人航天和月球探测任务,我国首次自主的火星探测具有航天器平台新、探测领域新、实施周期长、测控模式复杂、轨道控制要求高及应急处置难度大等特点。

针对全新的任务,北京飞控中心于2018年初就组件了火星探测任务飞控团队,今年以来,他们还针对长征五号B火箭首飞、首次火星探测、嫦娥5号和空间站等重大任务并行准备。

2020年4月24日,中国行星探测任务被命名为“天问系列”,首次火星探测任务被命名为“天问一号”,后续行星任务依次编号。

各国为何钟情于“扎堆”探索火星?

我们也知道最近各国都在“扎堆”进行火星探测,这是为什么呢?

原因在于以现在的航天水平来看,火星距离地球的距离实在是太远了,探测火星要比探测月球在实际操作上难得多。

要知道人类经常光顾的月球的距地距离为38万公里,而火星地球之间最近的时候距离也远达5500万公里,最远的时候更是要达到4亿公里。因此火星探测是一个非常讲究时机的活动。

平均每15~17年会有一次火星大冲,届时太阳、地球、月球、火星会规律排列在一条直线上,火星和地球的距离会进一步缩短。

▲模拟火星冲日图像

而最近的一次火星大冲的时间是2018年7月27日,已经过了,而下一次的火星大冲要等到2035年9月16日,这一日期又太远。

所以退而求其次,火星冲日每隔26个月就会出现一次,而对于地球来说,发射火星探测器的最佳窗口期在火星冲日前两个月,最近的窗口期也就在今年的7月中旬到8月中旬,在这段时间,从地球出发的航天器才能沿着最节省燃料的轨道到达火星。

此前,在这一窗口期已经公布了四大火星探测器的发射计划,分别是中国天问一号、美国毅力号、阿联酋希望号(由日本 H-2A 火箭发射),以及欧盟及俄罗斯的罗莎琳德·富兰克林。

但由于种种原因,欧盟及俄罗斯的 ExoMars 2020已经于三月中旬决定推迟到 2022 年发射,从2020的火星探测器发射小组“退群”了,不得不说,这已经是ExoMars 计划第六次推迟了。

此前,中国还曾想在2009年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射火星探测器,但由于战斗民族的火箭一次次出问题,中国也转而决定自主完成火星探测的全套流程。

这个小组中首先出发的是“土豪国”阿联酋的希望号(阿拉伯语 al-Amal),它在今年的7月20日的凌晨5点58分成功发射。预计探测器的到达时间会在2021年的2月。

▲阿联酋的希望号火星探测器

为了保证研发的进度和发射速度,阿联酋选择了具有强大航天实力的美国和日本作为合作伙伴,通过日本三菱重工研制的H-IIA火箭将自己的火星探测器运往太空。

希望号探测器由阿联酋和美国科罗拉多大学波德分校联合研制,重 1.35 吨,大小与一辆轿车相仿。由两个太阳能发电板供电,总功率 1.8 千瓦,这和家用电水壶的功率差不多。

探测器搭载有直径 1.5 米的高增益天线以及若干低增益天线。此外,探测器利用恒星跟踪定位仪来进行导航。

此外阿联酋还选择了美国深空网(DSN)对火星探测任务的希望号航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。

▲希望号运行过程展示

在运转火箭方面,日本的H-IIA火箭直径4米,高度53米,属于捆绑式两级火箭。它的运载能力与我国的长征三号乙火箭相当。

希望号上携带了三种先进的科学仪器,分别是EMIRS:阿联酋红外光谱仪、EXI:阿联酋勘探成像仪以及EMUS:阿联酋紫外线光谱仪。这些仪器的搭载主要是为了研究火星大气做准备。

而如果中国此次任务的所有流程都可以圆满完成,中国将成为世界上首个对火星集环绕、着陆、巡视探测的国家。

天问一号发射成功后,接下来集环绕、着陆、采样返回的天问二号也将提上日程。天问二号个除了轨道器和着陆器以及巡视器以外,还有上升器和返回舱,发射任务计划2028至2030年执行。

人类探索火星的漫漫长路

从儿时的《火星奇遇记》,到“非主流”时期流行的“火星文”,再到电影《火星救援》,这个神秘的铁锈红色星球——火星,一直寄托着无数人的太空梦想。

“硅谷钢铁侠”马斯克是火星的“狂热粉丝”,这位科学怪人一直在为人类移民火星做努力,此前在马斯克SpaceX载人航天器“龙飞船”成功发射后,他即刻发表推特称:通往火星的大门已经开启。

人类对火星历史的追溯可以到公元前,但对火星的探测是最近60年的事情。60年间,人类共进行了47次火星探测,成功率仅有43%,而在火星上成功着陆的探测器也只有8个,因此由于火星没收了很多人类的探测器,这个红色星球也被人们形象地称为“航天器坟场”。

▲迄今为止人类向火星发射的探测器

但就算是这样,人们还是依旧前赴后继地将探测器运往火星,毕竟这个可能作为未来“人类移民最佳选择”的神秘星球,火星的魅力实在是太大了。

人类火星探测起步于60年代美苏的“太空竞赛”,美苏两个大国在探测火星的旅途中完成了很多“第一次”。

▲火星 图源:NASA

1960 年 10 月 10 日,前苏联向火星发射了第一枚探测器。1964年美国发射的水手4 号, 是有史以来第一枚成功到达火星并发回数据的探测器。

在1971年,苏联发射火星3号成为了首颗在火星着陆的探测器,尽管它只工作了20秒,但是也成为了人类探测器在火星着陆的一个重要里程碑。

1975年8月20日美国发射的海盗1号,成为了全球首个能成功登陆火星的卫星。

在20年后,1996年,美国的火星环球侦测者号发射成功,这枚探测器持续工作了 10 年,直到 2006 年才失去讯号联络,它是最成功的火星探测任务之一。它利用所携带的一些专业仪器,进行海拔高度测量,科学家绘制了火星的地形图。

▲火星3D地图

进入00年代,欧盟和中国也加入了火星探测的行列中,而美国在这一时期迎来火星探测“大爆发”,在火星探测事业上遥遥领先。

2003年,美国将勇气号和机遇好两辆火星车送往太空,对火星进行实地考察。勇气号在执行任务期间,曾首次找到火星上曾有水存在的证据,并从火星上拍摄到了地球的照片。而机遇号截至2018年1月25日,已在火星漫游14年多,取得了很大的成绩,并于2019年2月13日任务结束。

2007年美国凤凰号探测器首先证实了火星上的确存在水,还找到了火星上存在碳酸钙和粘土的线索。同年,欧洲航天局的“罗塞塔”彗星探测器靠近火星飞行,顺利完成利用火星引力调整飞行速度和轨道的任务。

2007 年 6 月中俄正式签署合作协议,中国火星探测计划中的第一颗火星探测器萤火一号计划于 2009 年搭载俄罗斯的联盟号运载火箭发射,但是俄国老大哥的火箭一再出问题,中国也转而研发自己的火星探测系统。

在10年代,印度成为了火星探测黑马,中国也在重启火星探测计划。而在今天,中国终于完成了首次自主进行火星探测的第一步。

结语:火星探测的目标是星辰大海

火星作为距地球最近的类地行星之一,是人类最想登陆的行星,也是目前人类最有可能移居的星球。探索火星的过程,不仅仅是航天科技和深空探测水平的科技方面的巨大提升,更对人类文明的进程及探索宇宙与生命的意义有着非同寻常的影响。

天问一号任务将为中国打开火星之门,无论成败与否,都将是人类进军火星的一次重大飞跃,祝愿这次火星探测器发射任务一切顺利,圆满成功!

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