火星探測器“天問一號”:你想問的,答案都在這裏
2020年07月15日14:58

  來源:超級預測  

  在4月24日,第五個中國航天日上,備受矚目的中國行星探測任務命名為“天問(Tianwen)系列”,首次火星探測任務命名為“天問一號”,後續行星任務依次編號。

  根據中國國家航天局的消息,與“嫦娥系列”月球探測任務不同,我國計劃通過長征五號火箭發射“天問一號”探測器,它由一架軌道飛行器和一輛火星車構成。

  按照計劃,“天問一號”將在7至8月執行首次火星探測任務,一次性實現“繞、落、巡”三個任務,此外還要完成5大科學目標。相對於其他國家的火星探測規劃難度非常大。

  人類對於火星這顆類地行星的幻想實在太多。

  中國古時相信天人感應,也即上天會用某種方式對人間作出示警。火星也曾被當做上天用來示警的信號。據記載,公元534年初夏的某一天,因為太史報告“熒惑入南鬥”——火星運行到了二十八宿中的南鬥宿——導致70多歲高齡的南朝梁武帝光著雙腳到金鑾殿下去跑了一圈。當時諺語稱:“熒惑入南鬥,天子下殿走”,梁武帝以正統天子自居,就當仁不讓地去祈禳了一番。

  科幻大師雷·布拉德伯里(Ray Bradbury)則用他詩意浪漫的筆觸寫下了《火星編年史》(The Martian Chronicles) ,火星人消滅了早期到來的地球殖民者,但水痘卻讓火星人面臨崩潰,人類終於在火星站穩了腳跟後,得知家鄉發生核戰,又義無反顧地回到了地球。可以說,這部小說里包含了人類探險、擴張、歸鄉的所有曆程。

  影視作品的話,應數馬特·達蒙(Matt Damon)出演的《火星救援》(The Martian) 最有名氣。電影里達蒙飾演的宇航員馬克因同事誤判,一個人被留在了火星上,但他利用火星的土壤、地球的生土豆、同事和自己的糞便、火箭燃料里分解出來的氫氣得到了水,在倉里種起了土豆發了家。

電影《火星救援》劇照
電影《火星救援》劇照

  什麼是火星探測?

  火星探測是指人類通過向火星發射空間探測器,對火星進行科學探測活動。

  人類從1600年代開始使用望遠鏡對火星進行觀測。1971年11月27日,蘇聯火星2號的著陸器在火星表面墜毀,成為第一個到達火星表面的人造物。

  1971年12月2日,蘇聯火星3號的著陸器成功在火星軟著陸,成為第一個抵達火星的探測器,並在火星表面發出14.5秒信號。

  1976年9月3日,美國維京1號的著陸器在火星表面軟著陸,成為第一個向地球發回照片的探測器。

 “維京號”著陸器
 “維京號”著陸器

  2014年9月24日,印度的火星探測器成功進入火星軌道,印度ISRO自此成為繼俄羅斯RSA、美國NASA、歐盟ESA之後第四個成功進行火星任務的太空機構。

  “天問一號”擬定於2020年7月至8月間的地火轉移軌道發射窗口擇機發射,由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成。

  “天問一號”將一步完成繞、落、巡三步,這將是世界上首次探索火星即完成軟著陸的任務。繞:軌道器環繞火星進行探測;落:著陸器軟著陸於火星表面進行固定位置的地面探測、巡:巡視器(火星車)在火星表面進行不固定位置的巡視探測。

中國火星探測器組合體概念圖(圖源:國家國防科工局)
中國火星探測器組合體概念圖(圖源:國家國防科工局)

  行星探測任務首探火星,為什麼?

  在太陽系八大行星之中,火星是除了金星以外距離地球最近的行星;而金星環境過於惡劣,人類根本無法生存。

  火星是太陽系中最近似地球的天體之一。火星赤道平面與公轉軌道平面的交角與地球相仿,所以火星也有類似地球的四季交替;火星的自轉週期為24小時37分,這也和地球相似。

  火星的潛在資源豐富,其南北極存在不亞於地球上格陵蘭島的淡水資源;火星的土壤中廣泛存在2%-3%的水分,還存在一定有機物分子。

  火星引力較小、距離小行星帶和太陽系外圍空間更近,在火星上發射火箭和深空探測的總成本大大低於在地球發射,是人類未來深空探測發展中航天基地的不二之選。

  火星衝日大概每隔780天、約26個月出現一次。在此期間,地球與火星的距離在衝日期間會達到極近值,火星衝日意味著這時可以使用較小花費將探測器送往火星,火星探測通常也會利用此天文現象來運作。

  2020年7月至8月正值這一“火星探測時間窗口”。

  中國科學院國家天文台副台長李春來稱,中國首次自主火星探測不僅在於探究火星生命的存在和演化過程等問題,更可借此瞭解地球的演化歷史、預測地球的未來變化趨勢,同時也為人類開闢新的生存空間尋找潛在目標。

  火星探測與月球探測有什麼區別?

  火星實在太太太遠了。

  月球與地球

  月球和地球的平均距離為38萬千米,對於人類而言已是極其遙遠的存在;月球圍繞地球運動且軌道偏心率很小,與地球的距離相對穩定。火星距離地球在5000萬—4億千米左右,平均距離遠遠超過地月距離,而且這個範圍變化區間非常大。

  在地球上,僅需0.13秒就能實現任意兩點的通信,地月之間則需要2.5秒,可是,當地球與火星處於最大距離時,即便是光速通信也會有44分鐘的延時。

  航天專家龐之浩稱,探測器進入火星軌道和著陸的那段關鍵時間,只能依靠研究人員提前輸入數據,由探測器進行自主判斷,相當於“盲降”。

  探測火星難嗎?

  難度極大。

  人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史,但幾十年來,火星探測成功的概率統計下來還不足一半,早期的成功率更是慘不忍睹。

  早在上世紀60年代,處在冷戰“太空競賽”巔峰狀態的蘇聯和美國便展開了瘋狂的火星探測競賽。蘇聯在1960-1988年間進行了近20次探測任務,但沒有一次取得完全成功。在航空航天事業上佔據領先地位的美國,也是在進入21世紀前後,才迎來比較穩定的成功。

  難在哪?

  探測機會難得。即便是派出人類最快的探測器前往火星,也需要老老實實等待每隔780天、約26個月出現的一次地火逼近的機會,一旦錯過就需要等待兩年多。

  需要強力火箭。探測器如果前往火星,不僅需要完全擺脫地球引力,還需要擺脫太陽強大引力影響。這意味著,強大的火箭是探測火星的先決條件。

  軌道設計複雜。探測器前往火星只能選擇一個叫做“霍曼轉移”的方式,這種變換太空船軌道的方法,耗時普遍在6-11個月不等,遠遠長於地月之間的3天左右。線路會受到太陽系內多個天體的擾動,還有太陽風、空間輻射等的複雜影響。

  對探測器要求嚴格。探測器的深空通信、自主導航製導控制和自我故障檢測修復功能等必須獨立且強大,而這又進一步推高了研發成本。

截圖來自:雲猜資訊欄目
截圖來自:雲猜資訊欄目

  這僅僅是實現“繞”這一任務的難點,而要完成“落”的任務,還需要克服一系列更複雜的問題。比如火星大氣,它可以產生高達2000攝氏度的溫度;火星上經常出現沙塵暴,這也是導致美國“機遇號”火星車失聯的直接原因。

  著陸器不可能攜帶強有力、大功率的通信天線,也基本不可能直接與地球聯繫,這意味著它和地球之間還必須有一個“烽火台”進行“傳話”,這就必須在環繞火星軌道準備一個軌道器轉發信號來解決通信問題。

  航天專家龐之浩說的“盲降”其實是一個自主導航的問題。標準的火星著陸過程持續時間僅7分鐘左右,7分鐘甚至不足以完成一次地火通訊,這意味著全程超過1000個動作的降落過程必須依靠探測器自主完成,對軟件和硬件的要求極高。

  定點著陸器還有一個顯而易見的缺點:不能動。所以,能夠移動的火星車毫無疑問能大大豐富火星著陸任務的探測範圍和科研產出。但火星車實現自身著陸難度非常難、成本非常高。

火星車概念圖(圖源:國家航天局)
火星車概念圖(圖源:國家航天局)

  我們已經做了哪些準備?

  火箭:2015年,最強火箭長征五號已經實現突破,目前正整裝待發;軌道設計:2012年,嫦娥二號探測器已經實現過飛越日地拉格朗日點、飛越圖塔蒂斯小行星和進入深空7000萬千米的壯舉。

  著陸技術:在有大氣的情況下著陸,我們有神舟1-11號飛船;在無/稀薄大氣的情況著陸,我們有嫦娥三號和嫦娥四號任務。深空通訊網已初步建成,還有萬噸級遠望號航天測量船輔助;2018年,我們還發射了人類唯一的地月通信中繼衛星“鵲橋號”。

  至於在火星車方面,我們已經有了玉兔號和玉兔二號月球車,其中玉兔二號已經工作近1年。“鵲橋號+嫦娥四號+玉兔二號”在月球實踐過的工程經驗代表著足夠的工程可行性,將它們融合再投入探索火星的任務,雖然難度很大,如若順利實現,我們將創造人類火星探測史的新高度。

人類歷史新奇蹟:玉兔二號成功登陸月球背面
人類歷史新奇蹟:玉兔二號成功登陸月球背面

  “螢火一號”又是怎麼回事?

  “螢火一號”探測器作為中俄航天合作項目之一,搭載在俄羅斯的“福布斯-土壤”(Фобос-грунт)探測器中,於2011年11月9日淩晨發射。後因福布斯-土壤號與運載火箭分離後變軌失敗,於2012年1月15日17時45分墜於太平洋海域。

  但究其根本,這一次火星探測失敗的原因在於“福布斯-土壤”號火星探測器在升空後變軌失敗,進而失去動力,地面與其聯繫中斷,最終墜落。這期間“螢火一號”並未出現異常。

  “螢火一號”未能按計劃變軌,意味著我國的第一顆火星探測器面臨失敗的命運。

  我們之所以與俄羅斯合作,主要原因在於在當時我國的深空測控能力不足,還沒有形成完備的深空測控網。但“天問一號”的出現,或預示著我們將在深空探測能力上將邁出重要的一步。

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