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天问一号要飞多久? 路线要怎么走?

“圜则九重,孰营度之?”2020年7月23日12时41分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用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,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。

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。

对宇宙千百年来的探索与追问,是中华民族矢志不渝的航天梦想。从古代诗人屈原发出的《天问》,到如今我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”,太空探索无止境,伟大梦想不止步。

首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰表示,此次火星探测任务的工程目标是实现火星环绕探测和巡视探测,获取火星探测科学数据,实现我国在深空探测领域的技术跨越;同时建立独立自主的深空探测工程体系,推动我国深空探测活动可持续发展。

“此次火星探测任务的科学目标,主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等的研究。”刘彤杰说。

“天问”问天 要干这些事

世界首次一步实现火星探测“绕、着、巡”,最远距离达4亿公里如何实现超远距离深空通信?火星探测器发射后将经历怎样的历程到达火星?

世界首次:

一步实现“绕、着、巡”

目前,人类已对火星实施了44次探测任务,其中成功了24次,火星是目前人类认识最深入的行星之一。

我国首次火星探测任务凭借火星环绕器和着陆巡视器的超强阵容,可一步实现火星“环绕、着陆、巡视”三个目标,这是其他国家在首次实施火星探测任务时从未实现过的。

由于火星相对地球距离较为遥远,对发射、轨道、控制、通信和电源等技术领域都提出了很高的要求。中国航天科技集团八院“天问一号”探测器系统副总师兼环绕器总设计师王献忠介绍,研制团队不仅攻克了火星制动捕获、长期自主管理等关键技术难点,更实现了地火间的超远距离测控通信,并将通过环绕探测实现火星全球性、综合性探测,完成火星表面重点地区高精度、高分辨率精细详查。

临门一脚:

制动捕获“踩刹车”

火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为重要的环节之一,在火星探测器从地球飞向火星的过程中,能够被火星引力所捕获的机会只有一次。利用火箭助推,探测器获得了摆脱地球引力的能量,使用精心设计的转移轨道,探测器能够最终顺利抵达火星附近。

然而,受限于携带的推进剂有限,环绕器在抵达火星后,必须把握住唯一的机会对火星进行制动捕获。此次火星探测任务捕获时探测器距离火星仅400公里,而此时探测器相对火星的速度高达4到5公里每秒,一不留神就会撞击火星或飞离,捕获的成功与否成为火星探测任务成败的关键。

在这一制动捕获过程中,火星环绕器面临诸多挑战。由于捕获时探测器距离地球1.93亿公里,单向通信时延达到10.7分钟,地面无法对这一制动过程进行实时监控,只能依靠探测器自主执行捕获策略。

首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰介绍,捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,如果制动点火时间过长,探测器速度下降过多,探测器就会一头撞上火星,如果制动点火时间过短,探测器速度过快,就会飞离火星从而无法进入环绕轨道,这对环绕器的自主导航与控制提出了极高要求。

4亿公里:

超远距离深空通信

环火飞行阶段,由于地球和火星的运行规律,探测器距离地球最远达到4亿公里。为了解决超远距离通信问题,火星环绕器装备了测控数传一体化系统,实现了系统重量轻、通信效率高、通信链路可靠的目标。为补偿空间衰减,火星环绕器配置了大功率行波管放大器以及大口径可驱动的定向天线,大幅度提高探测器到地球通信能力。

自主管理:

需要会思考的“大脑”

通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但火星环绕器由于探测器到地球的距离远,通信延时大,无法完全依靠地面指令对星上出现的突发状况进行实时处理。此外,环绕器与地面站通信有其空间的特殊性,导致通信中断(“日凌”)的时间最长可达30天,期间需依靠自身完成长期任务管理,并在出“日凌”后及时调整天线指向,迅速重新与地面建立联系。

多样载荷:

给火星拍个“中式定妆照”

此次火星环绕器上共搭载7种有效载荷,可对地火转移空间、火星轨道空间、火星表面及其次表层开展科学探测,获取行星际射电频谱数据、火星表面图像、火星地质构造和地形地貌、火星表层结构和地下水冰分布、火星矿物组成与分布、火星空间磁场环境、近火星空间环境和地火转移轨道能量粒子特征及其变化规律。其中中分辨率相机可对火星全球开展地形地貌普查,高分辨率相机可对火星重点地区开展局部高分辨率地形地貌详查,将为火星拍下来自中国的“定妆照”。

任务有五段

此次火星环绕器所涉及的任务有五段:地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测。

地火转移

环绕器需要进行4-5次中途修正和一次深空机动修正飞行路径,走过超过4亿公里的路径,才能逐渐飞近火星。

火星捕获

发射约200天后,探测器将被火星引力捕获,此时距离地球近1.93亿公里,通讯时延约11分钟,只能通过自主管理制动点火进入火星捕获轨道。

离轨着陆

进入捕获轨道后,环绕器将调整至停泊轨道,完成着陆巡视器预选落区的探测。确认着陆条件满足要求后,将择机降轨释放着陆器。

中继通信

成功释放着陆巡视器后,环绕器作为通信器,为着陆器建立与地球之间中继通信链路。

科学探测

着陆器着陆后,火星环绕器将再次进入科学探测轨道,并利用有效载荷,对火星轨道空间、火星表面开展科学探测。

“探火”为何非得“胖五”

人类“探火”步步惊心却锲而不舍

“天问一号”将承载我国第一个火星探测任务,一次性实现对火星“环绕、着陆、巡视”三大目标。

火星的形貌与地质构造如何?哪里有水冰分布?大气环境与表面气候怎样?内部结构、物质组成如何?……这些都是我国首次火星探测即将研究的重点科学问题。

疑问

为什么不去金星去火星?

为什么要去探测火星?答案可能有点让人意外:因为火星比金星条件优越。

太阳系有八大行星,从内到外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。如果要在八大行星寻找生命,单凭位置,就可以判断个八九不离十:水星离太阳太近,一切都被烤焦了;木星以及更外圈的离太阳太远,一切都被冻僵了。最有可能的,就是离太阳距离适中的金星、地球、火星,这三个处于太阳系的“宜居带”上。金星和火星相比如何呢?

看一下基本指标:金星的质量是地球的82%,体积是地球的87%,重力是地球的90%,各方面跟地球十分接近。而火星跟地球的差别很大,其质量是地球的11%,体积是地球的15%,重力是地球的38%。

仅从这些指标看,金星似乎更加适合。因此,人类在上世纪50年代掌握了航天技术后,首先就将金星作为了探测目标。然而,人类探测金星的热情,很快就消退了。历史上总共有10个探测器在金星着陆,都来自苏联。但其中工作时间最长的只有127分钟(金星13号),最短的只有23分钟(金星7号)。为什么这么短命呢?因为金星的生存条件实在是太恶劣了。

金星有一个极其浓密的大气,它的压强高达地球的92倍,相当于一个人背着一辆50吨重的坦克。更糟糕的是,这么浓密的大气中绝大部分是二氧化碳,超过96%。这导致了非常强的温室效应,金星表面的平均温度超过460摄氏度,比离太阳最近的水星的向阳面还热。

火星最有吸引力的一点,是上面有水。这让火星上存在生命的希望大增。

揭秘

从地球到火星怎么走?

首先来看距离。地球和火星都在围绕太阳公转,地球跑第三道,火星跑第四道。地火距离最近是当太阳、地球、火星三者排成一线的时候,这叫做“火星冲日”,距离最小值在0.6亿公里左右。地火距离最远是当地球和火星分居太阳两边排成一线的时候,最大值在4亿公里左右。

火星冲日是一个周期性的现象,大约每780天发生一次。由此决定了,每过780天即大约26个月,就会出现一个火星探测的窗口期。在2020年的窗口期中,终于出现了中国的火星探测项目:天问一号。

下一个问题是:应该怎么去?直接飞向火星吗?

要受到引力的作用,不可能走直线。在太阳系里,最大的引力源就是太阳。除了在每个行星附近之外,在绝大部分空间起主导作用的都是太阳的引力。因此,飞船从地球到火星的旅程,绝大部分是在太阳控制下的。如果我们在途中不开动力,那么根据开普勒第一定律,飞船的轨迹就是一个以太阳为焦点的椭圆。

基于这些考虑,答案就呼之欲出了。我们走的是这样一条轨道:它在离开地球的时候与地球绕太阳的轨道外切,这是近日点;在接近火星的时候与火星绕太阳的轨道内切,这是远日点。在中间路程,它是一个以太阳为焦点的椭圆的一部分。整个行程中,发动机只需要点火两次,就是在起点和终点。这样耗费的燃料最少,而且操作最为稳妥高效。这样的轨道,叫做“霍曼转移轨道”。它是在1925年,由德国物理学家沃尔特·霍曼提出的。

不过,化学火箭的能力已接近上限。因此,再怎么投入也很难让从地球到火星的时间少于6个月。但是新的推进技术正在发展中,例如离子电推进和核能推进。如果这些技术成熟,地球到火星的行程有望大大缩短。

热点

“探火”为何是长征五号?

此次任务为长征五号系列运载火箭首次应用性发射。作为目前我国现役运载能力最强的火箭,长征五号被亲切称为“胖五”。那么,为什么说“探火”任务非“胖五”莫属?

长征五号运载火箭外形巨大,总长约57米,箭体直径达到5米,而此前我国现役火箭箭体直径最大的只有3.35米,由于其显著粗壮的外形,被亲切成为“胖五”。

航天科普专家钱航告诉记者,一次发射完成多种探测的好处是可以“少花钱,多办事”,但技术复杂,风险很大,所以一般很少采用。目前,只有美国成功实现过一次发射完成环绕探测和着陆探测。

“我国即将实施的首次火星探测任务,计划通过一次发射完成火星环绕、着陆和巡视三项任务,起点很高,同时也具有很大挑战性。”钱航介绍,发射深空探测器,需要运载火箭提供足够的发射能量,使探测器获得足够大的初始速度。在分离速度确定的条件下,重量越大的探测器,所需要的发射能量也越大。在长征五号火箭出现之前,当时运载能力最强的长征三号乙运载火箭,大约可以将两吨左右的探测器送入地火转移轨道,而长征五号运载火箭的地火转移轨道发射能力,超过了5吨。所以说“探火”任务,只有“胖五”能够胜任。

延伸

中国“探火”处于什么水平?

此前,大部分成功的火星项目都来自美国。当年的苏联和后来的俄罗斯都尝试过不少次,但大都以失败告终。

2011年,中国的火星探测器“萤火一号”参与俄罗斯的“福波斯-土壤号”探测计划,搭乘俄罗斯的火箭升空。但由于来自宇宙的高能粒子突然增加,探测器芯片失效,无法变轨,最终在大气中焚毁。

中国在火星探测领域是一个后来者,但起点却相当高。“天问一号”将一次执行“绕落巡”三项任务,其载荷包括三部分:环绕器(也称轨道器),它可以环绕火星观测和跟地球中继通信;着陆器,用来登陆火星;以及巡游器,也就是火星车。

其他国家的第一次火星任务,多是只有环绕,或者连绕带落,或者连环绕都没有,只是飞掠,从来没有一上来就做全套的。

“绕落巡”三步中最困难的是“落”。目前只有美国成功实现过“落”,以及随后的“巡”。中国选择如此激进的路线,说明对自身的技术相当有信心。此外,还有一个原因,那就是只有大踏步地前进,才能取得更有价值的科学成果。

中国火星探测首席科学家万卫星院士,2020年5月20日因癌症去世,享年仅62岁。他在2019年的一篇文章中谈到:“如果说第一次热潮的主题是探测竞赛,比的是谁先跑得最快,那么第二次热潮的主题应是科学竞赛,比的是谁先看得最深。”

2020年7月13日的《自然·天文学》,刊登了万卫星的讣告以及他介绍天问一号的文章:“‘天问一号’将在第一次尝试中就进行环绕、着陆和释放巡视器,并与轨道器协调观测。从来没有任何行星任务是以这种方式开展的。如果成功,将标志着一次重大的技术突破。从科学上讲,‘天问一号’是对火星形态、地质学、矿物学、空间环境、土壤和水冰分布等进行研究的最全面的任务。”。

人类的探火史

国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言在接受记者采访时梳理了人类的探火史,尤其是1996年以来,几乎每个发射窗口都有火星探测器发射,按技术水平和任务内容来划分,大体分为三个阶段——

第一阶段 1960—1970年

彼时国际深空探测尚处研究初期,相关国家主要以火星飞越探测、传送火星图片与探测大气参数为主,但探测任务成功率并不高,仅有一例成功完成任务。

1960年10月,苏联向火星先后发射了两个探测器,但均以失败告终。直到1964年10月,美国“水手4号”探测器才向地球传回人类史上第一张有关火星表面的近距离图像,开启了火星探测的新篇章。

到了60年代中后期,美国与苏联对火星的探测热情有所减弱,转而集中探测金星。

第二阶段 1970—1990年

美苏重新展开火星探测活动,以轨道环绕与着陆探测为主。

在此阶段,探测任务成功率明显提高,尤其是1971年发射的苏联“火星3号”探测器,成功登陆火星,但随即与地球失去联系。1972年,美国“水手9号”到达火星,成为了火星第一颗人造卫星。

进入冷战后期,美苏两国对于深空探测的投入减小,仅苏联发射两颗火星卫星探测器,且全部失败。火星探测的主要方向由发射探测器转为研究历次发射所得资料数据。

第三阶段 20世纪90年代至今

火星探测重新成为深空探测的热点。以美国为首的多个国家地区分别开展火星探测活动,探测方式主要为着陆探测,主要目标是寻找火星水存在的证据和生命迹象。

这其中,就有人们耳熟能详的“勇气号”“机遇号”和“好奇号”等多颗探测器,它们成功找到了火星水存在的证据。

迄今为止,成功登陆火星的探测器有8个:海盗一号、海盗二号,探路者、机遇号、勇气号、凤凰号、好奇号、洞察号,均为美国研制。

截至目前,仍在工作的火星探测轨道器有6个、着陆巡视器2个。其中,轨道器包括美国的“火星奥德赛”“火星勘测轨道器”“火星大气与挥发物演变”,欧洲的“火星快车”“微量气体轨道器”和印度的“曼加里安”。

而还在工作的着陆巡视器,只有美国的“好奇号”火星车和“洞察号”火星着陆器。

山东老乡助力“问天”

早报记者连线文昌发射场参与火星探测任务的山东籍工作人员

7月23日12时41分,长征五号遥四火箭在文昌航天发射场点火升空,约40分钟后,将“天问一号”送入预定轨道,开启我国首次独立火星探测任务。早报记者连线文昌航天发射场了解到,山东人成为本次发射主力军,从重要岗位到普通操作手,从英雄男儿到巾帼豪杰,到处都有山东人的身影。采访这一群山东老乡,他们都表现出了对航天事业深深的眷恋,希望能够在文昌发射场干一辈子,在未来亲自送中国人登上月球、登上火星,也希望带着家人来看一次火箭发射,希望家乡人民能够越来越富裕。

孙畅

手指一动“黄金万两”

别看出生于山东滕州的孙畅身材娇小,却有大“能量”。孙畅是名副其实的“学霸”,以优异成绩考入上海交通大学应用物理专业。毕业后因为从小的航天梦想,主动选择到新建的文昌航天发射场工作。她凭借刻苦努力迅速站稳脚跟,担起连接器系统工作站岗位,这个岗位是文昌发射场10多个重要岗位之一。

如果将火箭比做一辆车,那么连接器就像加油站的油枪,将燃料注入火箭内部。给火箭“加油”,每个环节要求都很高,“油枪”必须完全和加油口贴合,不能有一丝灰尘,不能有气体进入。孙畅通过点击指挥大厅的一个个按钮,操作连接器上的管路阀门,稍有不慎点错了供气顺序,可能就会造成损伤。可以说,手指一动,黄金万两。

孙畅充分发挥女孩子心细的特点,她参加了文昌航天发射场所有任务,每次都要进行上千次操作,她从没点错过一个按钮。

在大型火箭长征五号首次飞行任务时,发射日一个巨大的难题突然出现在这个滕州女孩面前。当时只剩不到5分钟的时间就要点火,指挥大厅里忙碌而紧张。突然,连接器脱落异常指示灯亮起。连接器无法脱落,火箭就不能点火!怎么办?万分紧急的关头,所有人都看向了连接器系统。孙畅迅速判断是连接器长时间结冰被冻住,果断启用应急预案,完成脱落操作。从判断到操作,她仅仅用了不到一分钟。

孙畅曾多次被问道:“作为一个女孩,为什么如此优秀?”她总是表示自己需要努力的地方还很多,随后开起了玩笑说:“可能我们山东滕州有搞大型机械的传统,在春秋战国时期就出现了墨子和鲁班等人,我作为山东滕州人,自然要当好工匠传人!”

刘亚广

“卫星保姆”嘘寒问暖

出生于山东菏泽的刘亚广,却没有山东人的粗线条。2012年底,他只身前往建设中的文昌航天发射场,并参与了文昌发射场所有任务。从第一枚火箭进入文昌发射场开始,他就担任空调岗位,负责航天器的冷暖,承担起“卫星保姆”角色。

他照料过的卫星有“天舟一号”“空间站核心舱试验船”,本次任务“天问一号”火星探测器也交到了他的手上。

航天器厂房内的工装产品和各式精密仪器对于温度、湿度及洁净度都有很高要求,测试环境需要长期保持在恒定的范围。为保证各项参数稳定可靠,频繁的数据监测、设备巡检和状态确认必不可少。

“我们这份工作适合夜猫子,通宵值班保障时间久了,难免对生物钟有些影响,大家也都变成了‘熊猫眼’。”刘亚广笑着说道,刚30岁出头的刘亚广因为长期熬夜,脸上早早出现了皱纹。

刘亚广是航天器厂房空调系统最早一批元老。文昌发射场航天器厂房的空调设备多达百余台,无论规模还是技术难度,都比他学过的要大,这反倒激发了他骨子里不惧挑战的特质。设备安装完毕后,刘亚广钻研过的文件图纸摞起来足有半米多高,更关键的调试工作也自然落到了他肩上。

空调系统调试期间,转轮除湿机总是跳闸,他和厂家发现是由于海南湿度大,除湿机被二次设计增大了除湿功率,电源功率却没跟上,需要改造配电系统。早年在供电系统的工作经验起了作用,结合以往处理故障的经验,再加上他乐于钻研的精神,电加热接触器频繁跳闸等实际问题被他有效解决。

勇对“三高”不惧危险

老家在山东单县的曹学仕,是中国文昌航天发射场火箭测试厂房综合气源库的岗位负责人,今年是他从事航天事业的第15个年头。本次火星探测任务中,他和他的团队要为厂房内的火箭和卫星提供清洁的测试用气。

利落的小平头、囧囧有神的眼睛,却被周围的同事戏称为“三高老曹”,倒不是因为他真的有“三高”,而是他所处的工作环境“气体压力高”“噪音等级高”“危险系数高”。他和他的团队不仅要会供气,还必须掌握如何制气,依靠库区的3台压缩机,确保试验用气能源源不断地输送到厂房去。任务期间,每天光空气的用气量就数以千计,曾经创下了日最高耗气量近万立方米的纪录。

2012年,曹学仕响应单位号召,从西昌转战文昌,投身文昌航天发射场的建设中。面对海南岛闷热潮湿的环境,经验丰富的他主动提出对空压机干燥器进行管路改造,经过反复论证后进行了改造实施,大幅提高了空压机干燥器性能,增强了日常维护效能,为每年的维护保养节省了一大笔支出。

某次任务期间,面对几百个大气压的高压危险气体和120余分贝高噪音的环境,他带领岗位操作手连续奋战15个昼夜,为火箭地面设备保障空气、氮气数万立方米,确保了发射台调试工作的顺利进行,完成了火箭的进场前准备。

不知不觉曹学仕已经离开家乡15年,但他对工作兢兢业业的态度始终如一,他常说:“一定努力工作,不能给山东人丢脸!”

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“追星”人搅热文昌

7月23日中午,“天问一号”火星探测器在位于海南的文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭成功发射。这次发射吸引了众多目光,很多航天爱好者为了追“星”,特地赶往海南近距离观看发射。早报记者当天连线了在海南文昌市龙楼镇文昌航天发射场周边一家酒店内做直播活动的青岛综合广播融媒体记者徐建,听他讲述所见的“天问一号”发射的另一个视角。

“盛夏的海南热浪袭人,我们7月22日到达这里的时候,就感受了这里的热度。除了气温热,航天发射相关的所有东西都‘热’。”徐建说,首先是住宿热,离文昌航天发射场最近的小镇上人气很足,各地来的航天爱好者和媒体记者将这里并不多的宾馆给住满了,镇上最普通的房间都到了每天400多元的价格。文昌航天发射场外数公里的一家五星级酒店,占据着观看航天发射的最佳角度,房间早就抢订一空,特别是能遥看发射场的房间,每晚的价格升至4000多元,还需要托关系才能订到。

徐建说,他这次和一名摄像同事的行程,是为宜品乳业、航天基金会、青岛综合广播等单位一起举办的火星探测器“天问一号”发射大型直播活动做现场直播连线,合作方也是提前1个月预订了这家酒店一间角度稍偏一些的房间,在这间房间的阳台上完成了直播活动。“火箭发射那一刻,我正巧在连线直播,和大家一起见证了这一神圣的时刻,周边房间都能听到欢呼声。”徐建说。

徐建介绍,他和同行交流时得知,在距离文昌航天发射场不远处的文昌淇水湾海滩上,也是一处很好的观看发射点。海滩上,上午9时许就开始聚集起来自全国各地的航天爱好者,等待火箭升空。一位曾多次前来观看发射的爱好者告诉记者,每次观看火箭发射都十分激动,尤其是点火发射的那一刹那,总会有热泪盈眶的冲动。对于“天问一号”的发射,很多当地人表示,受疫情的影响,现场人数明显比去年“胖5”复飞时少了一些,但这并没有影响“天问一号”发射带动当地的商业活动,比如淇水湾沙滩现场,就有手表、汽车、地产品牌搭建了活动展台。(记者 孙启孟 )

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