中國(guó)首次火星探測(cè)之旅正式開啟

火星，我們來(lái)了!

火星，這個(gè)讓無(wú)數(shù)人為之著迷的紅色星球，即將迎來(lái)中國(guó)的太空使者——天問一號(hào)。

7月23日，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器天問一號(hào)由長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射。這標(biāo)志著中國(guó)首次火星探測(cè)之旅正式開啟。

成功發(fā)射，只是天問之旅“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”，接下來(lái)，天問一號(hào)還要經(jīng)過7個(gè)月左右的飛行，才能抵達(dá)火星。

火星，我們來(lái)了!

從“三環(huán)”到“四環(huán)”

在太陽(yáng)系，八大行星以太陽(yáng)為核心公轉(zhuǎn)，形成了8個(gè)環(huán)形軌道，其中地球位于“三環(huán)”，火星則在“四環(huán)”運(yùn)行。天問一號(hào)探測(cè)器要想沖出地球抵達(dá)火星，絕不是簡(jiǎn)單地從“三環(huán)”跨越到“四環(huán)”，而是長(zhǎng)途跋涉幾個(gè)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(cè)任務(wù)型號(hào)總師崔曉峰告訴記者，天問一號(hào)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(cè)器與火箭分離后，到進(jìn)入火星引力影響球的飛行階段。這一階段是天問一號(hào)任務(wù)里耗時(shí)最久的部分，需要近7個(gè)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(hào)抵達(dá)火星軌道的時(shí)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(hào)進(jìn)入火星引力影響球，漸為火星所捕獲。探測(cè)器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火進(jìn)行近火制動(dòng)，將探測(cè)器的飛行速度降下來(lái)，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(cè)器就會(huì)在火星軌道運(yùn)行，成為一顆‘繞火衛(wèi)星’，此后進(jìn)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(dòng)，而是在一個(gè)極軌道上繞火飛行，這個(gè)階段要持續(xù)幾個(gè)月，直至探測(cè)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(gè)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(fèi)的，也沒有什么決定是毫無(wú)意義的。”崔曉峰說，這個(gè)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(jī)，對(duì)首選著陸區(qū)進(jìn)行詳細(xì)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(diǎn)”，才能更好地控制天問一號(hào)準(zhǔn)確著陸到理想?yún)^(qū)域。

看清目標(biāo)以后，天問一號(hào)就要開始離軌著陸。這一階段是火星探測(cè)任務(wù)成敗的關(guān)鍵，尤其是從進(jìn)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(shí)間短暫，但在世界上現(xiàn)有的40多次火星探測(cè)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(guó)要在首次火星探測(cè)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(gè)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(gè)夏天兩三個(gè)國(guó)家的一時(shí)興起，而是自上世紀(jì)60年代人類探測(cè)行星以來(lái)一個(gè)共同選擇：幾十年過去，人類共往火星發(fā)射40多顆探測(cè)器，其數(shù)量?jī)H次于地球，也因此，火星成為整個(gè)太陽(yáng)系最為熱門的“行星旅行地”。進(jìn)軍火星的意義何在?探索火星將會(huì)帶來(lái)怎樣的價(jià)值和意義?

這一切還要從火星是“誰(shuí)”說起。

在太陽(yáng)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(gè)火星日大約是24小時(shí)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(cè)并研究火星對(duì)于認(rèn)識(shí)我們?nèi)祟惖募覉@——地球，有著不可替代的作用。”中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)工程副總指揮、國(guó)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(gè)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(gè)71%海洋覆蓋率的藍(lán)色星球不同，火星表面呈現(xiàn)出紅色，它最明亮的時(shí)候猶如一團(tuán)火球。

按照天文學(xué)家的說法，這一抹紅色實(shí)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(lái)的歸宿?這個(gè)問題勾起了科學(xué)家強(qiáng)烈的好奇心。

國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言在接受記者采訪時(shí)說，以往的探測(cè)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(lái)，成為火星研究的重大科學(xué)問題。研究火星對(duì)認(rèn)識(shí)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(cè)器“身臨其境”，才能一步步得到解答。正因如此，人類火星探測(cè)任務(wù)幾乎都受到大范圍的關(guān)注。

如今這一次，是來(lái)自中國(guó)的天問一號(hào)。

不到50%的成功率

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

耿言說，幾十年來(lái)，人類火星探測(cè)成功率不到50%。蘇聯(lián)在1960-1988年間進(jìn)行了近20次探測(cè)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(dá)到三分之二左右。

由中國(guó)航天科技集團(tuán)研制的天問一號(hào)探測(cè)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(shí)現(xiàn)“繞著巡”三個(gè)探測(cè)任務(wù)，這在國(guó)際上尚屬首例。

“天問一號(hào)并沒有走美國(guó)、俄羅斯等在火星探測(cè)上的‘老路’，因此這種挑戰(zhàn)，增加了任務(wù)難度。”中國(guó)航天科技集團(tuán)五院天問一號(hào)探測(cè)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(duì)探測(cè)器進(jìn)行減速，但過程中會(huì)產(chǎn)生高達(dá)2000攝氏度的熱量。火星著陸器既需要隔熱罩隔絕熱量，還需要配備減速、降落傘進(jìn)一步減速。

然而，這些都不足以讓探測(cè)器減速到可實(shí)現(xiàn)軟著陸的水平，另需要反推發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，實(shí)現(xiàn)懸停、避障、降落。簡(jiǎn)單來(lái)說，就是“著陸難度巨大”。

此外，著陸區(qū)域與時(shí)機(jī)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(duì)著陸點(diǎn)的選擇和火星車的路徑規(guī)劃提出了更高的要求。由于長(zhǎng)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(jìn)一步導(dǎo)致火星表面風(fēng)力強(qiáng)勁，經(jīng)常出現(xiàn)沙塵暴。

時(shí)延問題也備受關(guān)注。崔曉峰說，火星探測(cè)器距離地球最遠(yuǎn)可達(dá)4億公里，一條信號(hào)往返地球與航天器最多可達(dá)44分鐘，超大的時(shí)間延遲讓地面無(wú)法沿用以往任務(wù)中的實(shí)時(shí)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(shí)施后續(xù)動(dòng)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(shí)延開環(huán)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了全新的超遠(yuǎn)距離測(cè)站捕獲模式。比如，當(dāng)飛控人員發(fā)令時(shí)，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(shí)所到達(dá)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(dòng)作，都需要地球上的工作人員提前告訴它。

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

崔曉峰說，如今，隨著天問一號(hào)進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道，飛控團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)完成火面遙操作工況評(píng)估與狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)、深空探測(cè)干涉測(cè)量技術(shù)等難點(diǎn)攻關(guān)。他們期待著天問一號(hào)抵達(dá)火星的好消息，那時(shí)，這群地球人也將迎來(lái)最令人激動(dòng)的、也是難度最大的“火星闖關(guān)時(shí)刻”。

火星的神秘面紗，能否被來(lái)自中國(guó)的探測(cè)器揭開，我們拭目以待。

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