火星競賽正式開啟!史無前例,“天問一號”將一次性完成三大任務
2020年07月21日17:24
 圖片來源:CGTN
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  2020年是兩年一次的火星年,而7月中旬~8月中旬則是今年的火星季,這數週的時間是絕佳的“火星探測器窗口”。在今年10月14日,將迎來“火星衝日”的天文學現象,到時,火星、地球和太陽所處的軌道位置將能形成一條直線,火星和地球的距離也將最近,因此適合高效完成火星探測任務。

  之所以說火星年兩年一遇,是因為地球的公轉週期是365天,火星的公轉週期是687天,二者會合週期是779.9天。由於行星公轉的非均勻性,可以說地球和火星處於在最近點的時間間隔為780天,就是約26個月,而一旦錯過發射窗口就需要再等兩年。

  當然,如果等到“火星衝日”之時發射探測器就為時已晚,考慮到我們與火星的距離以及地球和火星的公轉速度,最佳的發射時間是“火星衝日”之前兩個月左右。現在,阿聯酋“希望號”火星探測器已經升空,而在未來數週內中國的“火星1號”和NASA的毅力號也將緊隨其後。

  為了更高效且節省燃料,探測器升空後將會進入霍曼轉移軌道,這種最簡單的變軌方式適用於中心天體相同的兩個圓軌道之間的軌道轉移。火星探測器在途中只需要兩次引擎推進就可以從地球軌道進入火星軌道,縮減燃料攜帶量。

 圖片來源:CGTN
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  阿聯酋“希望號”

  北京時間7月20日淩晨5點58分,阿聯酋首個火星探測器“希望”號搭乘日本的H-IIA運載火箭,從日本種子島航天中心發射升空。“希望號”將經過約200天的飛行,於2021年2月抵達火星軌道,並通過探索成像儀、紅外光譜儀以及紫外光譜儀對火星氣候及天氣進行探測研究。這是阿聯酋的首次火星探測任務,也標誌著新一輪火星探測週期的開啟。

  中國“天問1號”

  7月17日上午,長征五號遙四運載火箭在中國海南文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後,垂直轉運至發射區,計劃於7月下旬到8月上旬擇機實施中國首次火星探測任務(行星探測工程“天問一號”任務)。

  這也是我國首次執行火星探測任務,該任務於2016年1月批準立項,任務目標是通過一次發射,實現火星環繞、著陸和巡視探測,獲取火星探測科學數據,將邁出我國行星探測的第一步。根據計劃,探測器將於2021年2月11~24日環繞火星運行,並於2021年4月23日降落一台火星車到火星表面,進行時長90天的探索工作。

  NASA“毅力號”

  目前,NASA預計將要在美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射“毅力號”,其將於2021年2月18日(美東時間,ET)落在火星耶澤洛隕石坑(Jezero crater)。目前,NASA還沒有給出具體發射時間,根據發射時間表,“毅力號”不會早於7月30日(ET)升空,發射窗口期從美東時間7月30日至8月15日(ET)。

  歐空局“ExoMars”計劃(已推遲至2022年)

  該計劃包含兩個部分,一是2016年已經發射的痕量氣體軌道器(Trace Gas Orbiter),二是原本預計在2020年升空的火星車和火星表面平台。但由於各方因素,歐空局宣佈火星探測任務延期。新的預計發射時間為2022年9月。

  艱難的任務

  就在今年的“火星探測器窗口期”,中國計劃進行首次火星探測任務“天問一號”。

  通常來說,火星探測有三種方式:在軌道上繞火星飛行進行較遠距離探測的環繞器,降落到火星表面,原地進行探測和實驗的著陸器,以及能在火星上運動的巡視器(火星車)。

 “天問一號”著陸器及巡視器(圖片來源:CNSA)
 “天問一號”著陸器及巡視器(圖片來源:CNSA)

  在“天問一號”中,我國計劃在首次發射中一次性實現“繞”、“落”、“巡”三大任務,這在世界航天史上還沒有過先例。即使我們有了一定的探月經驗作為基礎,但也面臨著很大的挑戰。

  難度主要存在於在地火距離遙遠以及對火星環境的不瞭解上。相比地月距離,地球與火星的距離非常遙遠,最遠時約為4億千米,最近時也有約5600萬千米。以我國這次將要發射的火星探測器為例,需要飛行200多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰,就是在攜帶燃料有限的情況下,探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離,這就需要研究者對探測器飛行軌道進行精密的設計。

  根據計劃,火星探測器會按照“霍曼轉移軌道”飛行。在“天問一號”火星探測器發射升空後,會先在地球附近加速,進入霍曼轉移軌道利用慣性保持飛行,慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時,探測器會“刹車”降低速度,最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務第一階段的目標:環繞火星飛行。

  若想成功進入霍曼轉移軌道,對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉移軌道所需的速度是10.9km/s,而火星探測器進入霍曼轉移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度(11.2km/s)。因此,這次發射任務使用了新一代運載火箭中推力最大的“胖五”——長征五號運載火箭。在成功進入太空後,整流罩中的火星探測器會與火箭“星箭分離”,獨自飛向火星,這段旅程大概需要6~7個月。如果一切順利,探測器預計於明年2月左右到達火星引力勢場內,切入火星軌道,被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關鍵:在切入火星軌道時,如果切入點離火星太近,探測器可能會墜毀;如果太遠,探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

 7月17日,長征五號遙四運載火箭完成垂直轉運至發射區,計劃於7月下旬到8月上旬擇機實施發射任務。(圖片來源:國家航天局新聞宣傳中心)
 7月17日,長征五號遙四運載火箭完成垂直轉運至發射區,計劃於7月下旬到8月上旬擇機實施發射任務。(圖片來源:國家航天局新聞宣傳中心)

  若能成功切入火星軌道,再經過多次調整,環繞器就可以進行環繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務的第二個階段,也是最大的難點——火星著陸。火星探測器需要將4.8km/s的超高速,減到火星著陸時的0,這個過程只有7分鐘左右,也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態、進入的角度都需要精準的控制,然而問題在於,我們對於火星上的環境,尤其是大氣狀況的瞭解非常有限。再加上地火距離遙遠,從地球發送到火星的單程無線電信號,單程延時為20分鐘左右,難以依靠地球指揮著陸。

  “天問一號”任務計劃採用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段,探測器會踩下“急刹車”,在大約290秒內將速度從4.8 km/s迅速降低到460 m/s。接下來探測器將打開降落傘,在大約90秒後,速度會降到約95 m/s。隨後進入第三個階段——動力減速段,探測器的反推發動機開始工作,在80秒內將速度降到3.6 m/s以下。當探測器距離火星表面約100 m高時,就進入了最後的著陸緩衝段,探測器準備開始懸停避障。此時探測器的速度已經很慢了,探測器會自主觀察火星表面,快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方,伸出“四條腿”,並在穩定著陸後展開舷梯釋放火星車。

  全新的發現

  火星是太陽系中與地球環境最為相似的行星,瞭解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值,也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務成功完成,將為我們提供關於火星的大量全新信息。

  例如,為了繪製火星的地質結構圖,環繞器和火星車都配備了探地雷達。環繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層,而火星車上的雷達雖然看不到這麼深,但解像度卻能達到釐米級。這或許能幫助我們瞭解火星地表以下的水冰分佈。

  而“天問一號”另一項激動人心的任務,是探測火星的磁場。目前有理論認為,火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內核中熔融的鐵逐漸冷卻,它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露於太陽風和輻射下,並導致其失去了地表水和大氣。火星的磁場究竟發生過怎樣的變化?“天問一號”環繞器與火星車將為我們提供更多的證據。

  除此之外,環繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設備將幫助遠在地球的科學家研究火星岩石、土壤和大氣的成分,更好地瞭解火星環境。

  “天問一號”火星車的設計壽命為90個火星日(一火星日約為24小時40分鐘)。這將成為中國航天者向太空發問的第一步,也是中國航天走向深空的里程碑。

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