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“坟场”求生,“探火路”步步惊心……

作者:库叔说

本文转载自:瞭望智库(ID:zhczyj)

文 |回家种菜、丁贵梓(实习生)

2020年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,长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空。

飞行2000多秒后,“天问一号”探测器成功进入预定轨道,正式开启火星探测之旅。

接下来,“天问一号”将与火箭分离后进入地火转移轨道,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。

“坟场”求生,“探火路”步步惊心……

从东方红一号到东方红五号,从嫦娥一号到嫦娥四号,从神舟一号到神舟十一号……经过半个世纪的探索,几代航天人的耕耘,中国航天事业成就辉煌。

如今,火星成为“飞天梦”的下一个目的地,中国正式迈出了自主开展行星探测的第一步。

文 |回家种菜、丁贵梓(实习生)

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“荧惑”待解,人类孜孜以求


在太阳系八大行星中,火星与地球分别位于“四环”和“三环”的“宜居带”上。

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人类对于这个陌生“邻居”的思考从未停止。

在许多古老文化中,火星都与不祥的意象相联系。因荧光如火,时而顺行、时而逆行,缺乏规律,古代中国称火星为“荧惑”,有“荧荧火光、离离乱惑”之意,因此被阴阳家视为禁忌的凶神之一。火星异常为大凶之兆,预示着战乱、冲突,甚至统治倾覆。

随着科学技术的发展,特别是17世纪天文望远镜的发明,人类开始更为科学地观测火星。

1877年,意大利天文学家称在火星上发现了人为开掘的“运河”,后被证实为“视错觉”,却更激起人类对火星的好奇。

上世纪60年代,苏联和美国先后发射了数枚火星探测器,虽然开局不利,但是并未阻碍人类叩响近距离探测火星的大门。

进入70年代,美苏展开激烈的“火星争夺赛”,短短21天内,相继发射了5颗火星探测器。1971年,美国国家航空航天局(NASA)水手9号率先成功进入环火星轨道。

注:火星探测器是一个总的称呼,一般包括轨道器、着陆器和巡视器。进入火星轨道绕飞的是轨道器(也称环绕器,即人造卫星),落到火星表面的是着陆器,最后在火星上行走的是巡视器(即火星车)。

此后,人类慢慢揭开了这位邻居的神秘面纱。

作为地球轨道外侧的第一颗行星,火星在很多方面与地球相似:

*地形地貌复杂,皆有山丘和沟壑;

*自转轴倾角与自转周期相近,平均火星日为24小时39分35.244秒;

*火星自转轴与公转轨道面倾角约为65°,因而也存在春夏秋冬四季更迭;

……

从外形上看,火星的个头比地球小,表面呈红色,犹如一团火球。那里大气稀薄,以CO₂为主,大气压强只有地球的1%,表面温度平均仅为-63℃。火星,似乎没什么吸引人的地方。

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2013年,美国第二代火星车“机遇号”在一块富含黏土的岩石中发现非酸性水存在的证据

然而,实际上,火星土壤因富含氧化铁而呈红色,这是在风与水的双重侵蚀作用下形成的。这意味着,火星上很可能存在过大量的水和大气——生命体赖以生存的重要因素。

与地球相似的天文特征与长期以来对“火星生命”的困惑,激励着人类前赴后继地走上这场“探火”之旅。

当时,我国空间探测事业正处起步阶段。随着1964年第一枚生物火箭的成功发射,中国人造卫星技术发展迅猛,为航空“飞天梦”积蓄力量。

注:空间探测,是指对地球高层大气和外层空间进行的探测;深空探测,是指脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间的探测。

1970年4月24日,中国第一颗人造地球卫星东方红一号发射成功,中国成为世界上第五个发射卫星的国家。

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2016年3月8日,国务院批复同意将每年4月24日设立为“中国航天日”

1975年,首颗返回式卫星发射成功,中国就此掌握卫星返回技术。

到2006年,中国共进行了24次返回式卫星的发射,其中23颗顺利入轨,22颗成功回收。

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难关重重,险中求胜


胜败乃航天人常事。

火星更是堪称“探测器坟场”:

俄罗斯“火星96”(1996年)发射时发生爆炸;

日本“希望号”(1998年)入轨失败;

美国“火星极地着陆者”(1999年)着陆时坠毁;

英国“猎兔犬2号”(2003年)着陆后失踪……

1960年以来,多个国家先后进行了44次火星探测项目,其中完全成功19次,成功概率仅为43%。

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火星探测任务回顾,图片来源:参考资料7

可见,火星探测绝非易事。

其一,探测器的发射时机十分宝贵。

地球和火星在各自轨道上围绕太阳公转,当日、地、火三者排成一线时(即“火星冲日”),地火距离最近。若在这时发射探测器,不仅节省大量燃料,还能缩短抵达时间。因地火公转速度不一样,“火星冲日”大约26个月才发生一次。

同时,考虑到引力、风险和成本因素,探测器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼转移轨道”——探测器进入轨道几个月后会和火星自然相遇。这样的时机也要26个月才会出现一次。

如果没有把握好发射窗口期,就只能再等两年。

即使把握住窗口期,地火最近距离也有5500万千米,探测器需要长途跋涉10个多月,历经发射入轨、地火转移、火星捕获、火星停泊及离轨着陆5个阶段才能到达火星。

如此长时间的飞行,对各技术环节都是严峻挑战。有人这样比喻,“让火星探测器精准着陆,相当于从巴黎击出一只高尔夫球,落在东京的一个洞里。”

其二,想要成功探测火星,至少要克服4道技术难关。

*难关之一:发射

火箭的运载能力、入轨精度和可靠性是实现火星探测的重要前提。

探测器的速度至少要达到第二宇宙速度(11.2千米/秒),才可保证直接进入转移轨道。否则就要消耗自身燃料实现加速,既浪费时间,又影响探测器寿命。而且,入轨制动时机、力度掌握稍有不准,探测器就可能与火星错过或相撞。

因此,用以发射火星探测器的火箭推力必须足够大、足够精准。

*难关之二:着陆

着陆是火星探测的最大难点。探测器需要在7分钟内将时速从2万千米降低到0,完成入轨、下降与着陆全过程。

不同于月球着陆,火星探测器着陆还有进入大气层和降落伞降速环节。入轨时,探测器切入点过近或过远,就会掠过火星或坠毁。进入火星大气层后,探测器要自主准时开伞减速、切伞、抛底、悬停避障、关机,稍有闪失就会失败。

注:火星重力加速度约为地球的1/3。

在人类现有的44 次火星探测中,仅有9次安全度过这个“恐怖7分钟”。

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1999年12月3日,美国“火星极地者”探测器在与地面失去联系后着陆失败

*难关之三:通信

因地火之间距离过远(是地月距离的1000多倍),无线电信号单程传递需要22.3分钟。再加上星体运动和宇宙噪声对信号稳定性的影响,地火之间至少存在45分钟的信号延迟,无法通过即时通信方式传递信息。

这意味着,探测器只能依靠研究人员提前输入的数据自主完成着陆。期间,探测器要在200多秒内完成超过1000个不同动作和指令。

这对信号收发技术是个极大的挑战。探测器需要装有高增益、高可靠通信设备,地面也要有口径足够大的深空测控站,才可避免探测器因通信故障而失踪。

*难关之四:能源

火星上的沙尘暴很大,其影响力是地球上12级台风的6倍。狂风扬起的飞沙足以覆盖火星车的太阳能电池板,使其无法正常工作。

恶劣的探测环境对探测器的能源利用率提出更高要求,需要通过增大太阳能电池板,提升光电转换效率等方式,提高能源系统功率质量比。

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初征火星,“萤火”失利


进入21世纪,火星探测迎来黄金时代,美国、欧洲航天局相继成功发射火星探测器。

与此同时,我国的空间探测事业正朝着深空探测方向加快步伐。我国卫星轨道控制精度、返回控制计算等性能极大提高,飞行时间延长,为月球、火星等深空探测打下坚实基础。

2004年,月球探测“嫦娥工程”正式进入实施阶段,并于次年年底完成卫星初样产品的研制和相关试验。

2007年,我国首颗绕月人造卫星嫦娥一号发射升空,对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。

下一期探月工程也积极展开,目标为改进探测设备,并为月球软着陆进行部分关键技术试验。

在前期探月工程的基础上,我国的火星探测计划也提上日程。

当时,中国的火箭还不具备运载火星探测器的动力,口径最大的测控站仅为18米,未达到探测火星的要求。考虑到探测实际难度和综合技术水平,中国首先选择了合作——借鉴他国成熟经验,获国外深空测控网帮助。

2007年,中国与俄罗斯签订航天合作协议,我国的“萤火一号”火星探测器将搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”探测器内部,于2009年10月一同发射升空。

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俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器模型

中俄正式签署合作协议后,上海卫星工程研究所迅速开展火星探测器研制工作。2009年,我国第一颗火星探测器“萤火一号”问世。

“萤火一号”携带等离子体探测包、光学成像仪、磁通门磁强仪、掩星探测接收机等4类有效载荷,设计寿命为2年。它将对火星进行为期一年的在轨探测,包括探测火星及其空间环境、揭示类行星空间演化特征等。

通常火星探测器研制至少需要5年,而“萤火一号”只用了23个月。它已经做好了充分的技术准备:既能适应火星上超过100℃的昼夜温差,又能从休眠状态中按时苏醒,足以应对运行过程中的7次火星“长火影”——零下200℃、长达8.8个小时的“黑夜”。

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“萤火一号”示意图

在前期地面模拟实验中,“荧火一号”还顺利通过了信号延迟情况下的自控测试。

一切准备就绪。

按照原定计划,“萤火一号”将与“福布斯-土壤”共同飞行10-11个月后共同进入火星轨道;绕火星飞行3圈后,“福布斯-土壤”变轨钻取土壤,“萤火一号”继续留轨运行,并与“福布斯-土壤”联合完成对火星环境的掩星探测。

然而,出于项目可靠性等考虑,2009年9月,俄方决定将发射时间推迟两年。

2011年11月9日,“萤火一号”搭载在俄罗斯“福布斯-土壤”探测器内部,由俄罗斯“天顶号”运载火箭发射升空。发射10分钟后,探测器同运载火箭成功实现分离。

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然而,几个小时后,俄航天署突然发布消息,因控制系统故障,“福布斯-土壤”探测器上的主发动机没有在预定时间启动,滞留在近地轨道的两台探测器将与地面失去联系。

此后,俄航天署加紧调整探测器飞行状态,地面测控站多次发出联络信号,但仍未能同探测器恢复联系。

直到22日,俄航天署副署长达维多夫宣布,由于向火星发射航天器的最佳窗口将于月底关闭,“福布斯-土壤”火星探测器未能成功飞往火星轨道,其所搭载的“萤火一号”也一同宣告“探火”失败。

至此,我国火星探索的第一次尝试遗憾告终。

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借鉴探月,养精蓄锐


“萤火一号”首战失利后,中国航天人意识到:若想成功探测火星,发射、入轨、着陆,任何环节都容不得一丝短板。

接下来的一段时间里,我国深空探测的重点集中在“嫦娥工程”上。

2010年10月,搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭成功发射;

11月,嫦娥二号卫星传回的嫦娥三号预选着陆区——月球虹湾地区的局部影像图,为嫦娥三号卫星着陆做好前期准备;

2013年12月,嫦娥三号月球探测器发射,并成功软着陆于月球雨海西北部;

2018年12月,嫦娥四号探测器发射成功,截至目前已顺利结束了第十九月昼工作;

按照计划,今年10月底,嫦娥五号探测器也将发射升空,后续将完成采集月球样品并带回地球的任务。

作为我国深空探测领域的先行者,探月工程的宝贵经验为火星探测奠定了基础。

第一,“三步走”计划给火星探测工程以借鉴。

“嫦娥工程”共包括“绕、落、回”三个阶段:一期工程为“绕”,即嫦娥一号和二号绕月探测;二期工程为“落”,由嫦娥三号和四号实现月面和月球背面软着陆后进行探测;三期工程为“回”,目标是月面巡视勘察与采样返回。

考虑到月球与火星天文特征的差异,我国火星探测计划可在“三步走”的基础上进一步改进。

第二,深空测控能力取得突破。

深空测控是火星探测中最为关键的技术。

2012年,我国完成了喀什35米和佳木斯66米两个大型深空测控站,以及上海65米甚长线射电干涉测量站的建设。

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西安卫星测控中心佳木斯深空站66米深空测控天线(航拍)

随着三大站投入使用,我国深空测控网已正式建成,并可进行超远距离的测控。这将有助于我国实现对火星探测器的自主测控。

2014年6月,嫦娥二号探测器已受控飞到一亿千米以外的深空并继续飞行,这意味着我国已具备上亿千米深空测控的能力。

9月,北京航天飞行控制中心副主任李剑表示,“我国目前的飞控能力完全能支持火星探测。”

第三,在入轨和着陆技术上积累经验。

利用嫦娥二号拓展试验数据,我国验证了火星探测器地火转移段的部分轨道精度,确认了能够满足任务轨道确定精度的模型算法设计,为火星任务提供探索经验和技术支持。

此外,嫦娥三号探测器成功实现软着陆,我国探测器着陆、巡视技术取得新进展,并为火星探测器技术研发提供基础。

第四,火箭运载能力大幅提升。

长征系列运载火箭是中国自行研制的航天运载工具。20世纪60年代至今,长征火箭已经拥有退役、现役共计4代17种型号。

其中,长征五号已具备火星探测器的入轨与着陆荷载能力。它首次采用5米直径箭体结构,全长约57米,起飞重量约870吨,与其他长征系列运载火箭相比体型更大,因此得到了“胖五”的称呼。

长征五号起飞推力超过1000吨,运载能力接近25吨,采用全新研制的氢氧发动机和120吨液氧煤油发动机,是我国目前推力最大的新一代运载火箭。

2016年11月,长征五号在中国文昌航天发射场首飞成功,我国现役火箭运载能力提升2.5倍,自主空间探测能力大幅度提高。

2016年11月3日,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。

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2019年底,长征五号成功将实践二十号卫星送入太空

实力派“胖五”已整装待发。

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“天问”问天,“胖五”出征


2016年,我国首次独立自主开展的火星探测任务批准立项,预计于2020年自主发射火星探测器,并面向全球征集任务名称及标识。

2018年初,北京航天飞行控制中心火星探测任务飞控团队成立。

此前,在第17届中国国际工业博览会上,我国自主发射的火星探测器已显露初貌。

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2019年10月11日,中国航天科技集团公司公开了火星探测器真容。它由轨道器、着陆器和巡视器组成,重量达到5吨左右

其中,环绕器将对火星开展全球性、普查性综合探测,并为巡视器提供中继通信链路;火星车则在着陆区开展区域性、精细性巡视探测。

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次月,我国首次火星探测任务着陆器悬停避障试验顺利进行,成功模拟了着陆器在火星重力环境下悬停、避障和缓速下降过程,并对其设计正确性进行了综合验证,为火星探测任务的如期实施提供保障。

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11月14日,着陆器悬停避障试验现场

2020年,火星探测迎来又一个窗口期,包括中国在内,已有5个国家先后宣布“探火”计划。

新冠肺炎疫情影响下,飞控团队统筹调整人员配置,科学调配测控网资源,以保证长征五号B火箭首飞、首次火星探测等重大航天任务需求。

4月,国家航天局正式公布中国行星探测任务命名为“天问系列”,首次火星探测任务命名为“天问一号”。

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2020年,中国首次火星探测任务“天问”标识

“天问”二字,取自战国时期诗人屈原的长诗《天问》,承载了中华民族对自然和宇宙空间的求索不止、坚韧执着。

7月22日,中国火星探测工程正式对外发布“中国首次火星探测任务天问一号1:1着陆平台和火星车”。

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至此,“天问一号”火星探测器已整装待发。

不同于月球探测“三步走”战略,“天问一号”将通过一次发射实现“绕、落、巡”3个目标,具体包括火星环绕和着陆巡视,开展火星全球性和综合性探测,并对火星表面重点地区进行精细巡视勘察。这是人类火星探测史上一次新的突破。

为实现目标,“天问一号”搭载13 种有效载荷(其中环绕器7 种、火星车6 种),完成火星探测轨道设计、测控通信、自主导航、表面软着陆等关键技术科研攻关,以应对重重“探火”难关。

*实施全新超远距离测站捕获模式,压缩地火时空距离;

*以仿真打靶方式完成全过程定轨预报精度分析,全面掌握“天问一号”位置;

*气动、降落伞、动力、缓冲四阶段分段减速,提升着陆安全度;

*火星车遥控操作任务规划,精准遥控、科学开车;

*采用高增益、高可靠的抛物面天线,提升通信安全;

注:2020年10月,我国主反射面口径70米高性能接收天线测控站将在天津武清建成。

*同时安装太阳电池板和集热窗,吸收太阳能后自动转化储存能量,提升能源使用效率;

……

从发射入轨到着陆巡视,“探火”各个环节都有充分技术保证。

窗口期再至,“天问”也已就位。那么,该由谁担起发射重任呢?

这个答案,非“胖五”莫属。

2020年5月底,长征五号遥四运载火箭运抵中国文昌航天发射场,按照飞行任务测试发射流程,陆续完成总装、测试等各项准备工作。

7月17日,火箭完成技术区总装测试工作后垂直转运至发射区,择机实施首次火星探测任务。这也是长征五号系列运载火箭的首次应用性发射。

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7月17日,在中国文昌航天发射场的长征五号遥四运载火箭。

2020年7月23日12时41分,搭载我国首次火星探测任务“天问一号”探测器,长征五号遥四运载火箭成功发射升空。中国深空测控网顺利实施探测器测控,同时,3艘远望号测量船布阵太平洋不同海域,圆满完成海上测控任务。

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7月23日,长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,实施我国首次火星探测任务。新华社记者 郭程 摄

目前,“天问一号”工作情況正常。预计经过10个月的飞行后,“天问一号”将于2021年2月前后抵达火星轨道,着陆火星表面并进行巡视探测。

届时,中国将成为世界上第3个在火星着陆的国家、第2个在火星巡视的国家,深空探测能力和水平将实现跨越式发展。

早在去年9月,首届世界公众科学素质促进大会“太空探索与人类未来”分论坛上,国家航天局系统工程司司长李国平宣布,待2020年火星探测任务成功后,我国将在2028年左右进行第二次火星探测任务,届时将采集火星土壤并返回地球。

千年之前,对着天地星辰,我们的先人发出这样的疑问:“日月安属?列星安陈?”

千年之后,中国航天人用实力填写了祖先的问卷:九天之际,问天可期。

中国“探火之路”仍在继续,我们期待下一次璀璨之光。

参考资料:

1.杨于泽,《火星探测:从仰望星空到抵达星空》,《长江日报》,2019年7月10日第011版;

2.宋星光、武勇江、安普忠,《“天问一号”:中国首次火星之旅》,《解放军报》,2020年7月10日第011版;

3.赵聪,《全国政协委员包为民、赵小津两会期间介绍“天问一号”任务—火星探测最大的难点在于“恐怖7 分钟”》,《中国航天报》,2020年5月27日第003版;

4.付丽丽,《成功率不足一半,人类“探火”为何步步惊心》,微信公众号“科技日报”,2020年7月16日;

5.张曼倩,《新中国70年的航天发展 | 节节突破的中国深空探测》,《国际太空》,2019年第9期;

6.《俄罗斯航天遭遇失败频发困局 暴露长期隐患》,新华网,2011年11月24日;

7.徐西宝、白成超、陈宇燊、唐浩楠,《月/火探测软着陆制导技术发展综述》,《宇航学报》,2020年第6期;

8.叶程程,《勇敢向天问 追梦无止境》,《中国纪检监察报》,2020年7月23日;

9.袁岚峰,《人类为何对探测火星兴致盎然?中国处于什么水平?》,微信公众号“瞭望”,2020年7月23日;

10.《解惑|中国首次火星探测任务将择机实施,为啥“探火”非“胖五”莫属?》,微信公众号“瞭望”,2020年7月17日;

等等。

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