中國首次火星探測之旅正式開啟

火星，我們來了!

火星，這個讓無數(shù)人為之著迷的紅色星球，即將迎來中國的太空使者——天問一號。

7月23日，我國首個火星探測器天問一號由長征五號運載火箭成功發(fā)射。這標(biāo)志著中國首次火星探測之旅正式開啟。

成功發(fā)射，只是天問之旅“萬里長征第一步”，接下來，天問一號還要經(jīng)過7個月左右的飛行，才能抵達火星。

火星，我們來了!

從“三環(huán)”到“四環(huán)”

在太陽系，八大行星以太陽為核心公轉(zhuǎn)，形成了8個環(huán)形軌道，其中地球位于“三環(huán)”，火星則在“四環(huán)”運行。天問一號探測器要想沖出地球抵達火星，絕不是簡單地從“三環(huán)”跨越到“四環(huán)”，而是長途跋涉幾個月，直線距離突破4億公里的旅程。

北京航天飛行控制中心首次火星探測任務(wù)型號總師崔曉峰告訴記者，天問一號要經(jīng)歷發(fā)射入軌段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、火星停泊段以及離軌著陸段。

這其中，地火轉(zhuǎn)移段指的是從探測器與火箭分離后，到進入火星引力影響球的飛行階段。這一階段是天問一號任務(wù)里耗時最久的部分，需要近7個月之久。

換句話說，從2020年7月23日發(fā)射成功算起，天問一號抵達火星軌道的時間大約在2021年2月前后。

崔曉峰說，經(jīng)過億里迢迢的奔襲后，天問一號進入火星引力影響球，漸為火星所捕獲。探測器發(fā)動機點火進行近火制動，將探測器的飛行速度降下來，俯下身段，成功讓火星將自己“抓住”。

“一旦成功被火星捕獲，探測器就會在火星軌道運行，成為一顆‘繞火衛(wèi)星’，此后進入火星停泊段。”崔曉峰說。

按照他的說法，火星停泊段并不是停泊在火星軌道上不動，而是在一個極軌道上繞火飛行，這個階段要持續(xù)幾個月，直至探測器降軌后轉(zhuǎn)入兩器分離階段。

既然已經(jīng)到了火星軌道，為何還要繞飛兩個多月而不是直接落“火”?

“在航天任務(wù)中，沒有哪一克燃料是白白浪費的，也沒有什么決定是毫無意義的。”崔曉峰說，這個階段的繞火飛行就是為了幫地面控制環(huán)繞器上的高分相機，對首選著陸區(qū)進行詳細勘查并拍照成像。

經(jīng)歷過多圈精準(zhǔn)的成像后，地球上的飛行控制人員看清了“落腳點”，才能更好地控制天問一號準(zhǔn)確著陸到理想?yún)^(qū)域。

看清目標(biāo)以后，天問一號就要開始離軌著陸。這一階段是火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵，尤其是從進入火星大氣層到著陸，有一段聞名世界的“恐怖7分鐘”，別看時間短暫，但在世界上現(xiàn)有的40多次火星探測任務(wù)中，能夠安全度過這7分鐘的僅有9次。

崔曉峰說，我國要在首次火星探測任務(wù)中就克服這一艱難的過程，并讓火星車在火面持續(xù)工作3個月，所面臨的挑戰(zhàn)是前所未有的。

為什么要去火星

挑戰(zhàn)這么大，難度這么高，為何還要去火星?世界那么大，為何偏偏選中它?

這并非2020年這個夏天兩三個國家的一時興起，而是自上世紀(jì)60年代人類探測行星以來一個共同選擇：幾十年過去，人類共往火星發(fā)射40多顆探測器，其數(shù)量僅次于地球，也因此，火星成為整個太陽系最為熱門的“行星旅行地”。進軍火星的意義何在?探索火星將會帶來怎樣的價值和意義?

這一切還要從火星是“誰”說起。

在太陽系，火星是自然環(huán)境里與地球最為接近的星球，兩者幾乎都形成于約45億年前，組成成分也相同，有核、幔、殼。火星與地球有著相似的自轉(zhuǎn)周期，一個火星日大約是24小時39分鐘，不僅如此，它還和地球一樣有四季更迭。

“火星與地球最為相似，探測并研究火星對于認識我們?nèi)祟惖募覉@——地球，有著不可替代的作用。”中國首次火星探測任務(wù)工程副總指揮、國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠說。

當(dāng)然，從人類目前掌握的有限情況看，兩者之間的不同顯而易見。北京天文館副研究員劉茜說，從外型上看，火星個頭更小，它的半徑約為地球的一半，體積為地球的七分之一，大氣密度為地球的1%。

與我們這個71%海洋覆蓋率的藍色星球不同，火星表面呈現(xiàn)出紅色，它最明亮的時候猶如一團火球。

按照天文學(xué)家的說法，這一抹紅色實際上并不是真正的火焰，火星上溫度反而極低，接近于地球的南極。呈現(xiàn)紅色的原因，是火星的土壤富含氧化鐵，就像是土地生了銹。這種土壤的形成，是風(fēng)與水的雙重侵蝕作用產(chǎn)生的。由此可見，火星上曾經(jīng)存在過大量的水和大氣。

這就意味著，火星上有可能出現(xiàn)過生命。那么，火星是地球的過往，還是我們未來的歸宿?這個問題勾起了科學(xué)家強烈的好奇心。

國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言在接受記者采訪時說，以往的探測發(fā)現(xiàn)了水存在的證據(jù)，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地球未來，成為火星研究的重大科學(xué)問題。研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。

而這些問題，只有人類或人類的探測器“身臨其境”，才能一步步得到解答。正因如此，人類火星探測任務(wù)幾乎都受到大范圍的關(guān)注。

如今這一次，是來自中國的天問一號。

不到50%的成功率

不到落“火”的最后一刻，中國航天人被天問一號牽動的緊張神經(jīng)很難完全放松下來。

耿言說，幾十年來，人類火星探測成功率不到50%。蘇聯(lián)在1960-1988年間進行了近20次探測任務(wù)，但沒有一次取得完全成功。在20世紀(jì)90年代以后，成功率才達到三分之二左右。

由中國航天科技集團研制的天問一號探測器，包括環(huán)繞器、著陸器和巡視器三部分，目標(biāo)為一次發(fā)射實現(xiàn)“繞著巡”三個探測任務(wù)，這在國際上尚屬首例。

“天問一號并沒有走美國、俄羅斯等在火星探測上的‘老路’，因此這種挑戰(zhàn)，增加了任務(wù)難度。”中國航天科技集團五院天問一號探測器研制專家說。

據(jù)五院專家介紹，火星大氣密度僅為地球的1%左右，可以利用它對探測器進行減速，但過程中會產(chǎn)生高達2000攝氏度的熱量?；鹦侵懫骷刃枰魺嵴指艚^熱量，還需要配備減速、降落傘進一步減速。

然而，這些都不足以讓探測器減速到可實現(xiàn)軟著陸的水平，另需要反推發(fā)動機進行減速，實現(xiàn)懸停、避障、降落。簡單來說，就是“著陸難度巨大”。

此外，著陸區(qū)域與時機的選擇，也是一大挑戰(zhàn)。五院專家告訴記者，火星表面溝壑縱橫，砂礫遍布，對著陸點的選擇和火星車的路徑規(guī)劃提出了更高的要求。由于長期風(fēng)化，缺乏溫室效應(yīng)又讓火星不同區(qū)域氣壓差很大，進一步導(dǎo)致火星表面風(fēng)力強勁，經(jīng)常出現(xiàn)沙塵暴。

時延問題也備受關(guān)注。崔曉峰說，火星探測器距離地球最遠可達4億公里，一條信號往返地球與航天器最多可達44分鐘，超大的時間延遲讓地面無法沿用以往任務(wù)中的實時比判閉環(huán)控制模式，難以在確定指令發(fā)送執(zhí)行情況后根據(jù)指令執(zhí)行效果實施后續(xù)動作。

據(jù)他介紹，為了克服這一阻礙，北京飛控中心采用了超大變時延開環(huán)控制技術(shù)，設(shè)計了全新的超遠距離測站捕獲模式。比如，當(dāng)飛控人員發(fā)令時，瞄準(zhǔn)的不是航天器當(dāng)前的位置，而是它在20分鐘后接收指令時所到達的位置，這樣當(dāng)它就位后就可以收到。

盡管火星車有一定的自主能力，但是它要前往的目的地、選擇的路徑以及路途中的各種動作，都需要地球上的工作人員提前告訴它。

在這方面，我國飛控團隊就要扮演好“先知”的角色，通過對當(dāng)前火星車所處環(huán)境的掌握、分析和規(guī)劃，預(yù)測路徑的安全性，否則石塊沙丘都可能對它造成致命傷。

崔曉峰說，如今，隨著天問一號進入地火轉(zhuǎn)移軌道，飛控團隊也已經(jīng)完成火面遙操作工況評估與狀態(tài)預(yù)測技術(shù)、深空探測干涉測量技術(shù)等難點攻關(guān)。他們期待著天問一號抵達火星的好消息，那時，這群地球人也將迎來最令人激動的、也是難度最大的“火星闖關(guān)時刻”。

火星的神秘面紗，能否被來自中國的探測器揭開，我們拭目以待。

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