為了去火星,你知道天問一號有多努力嗎?
2020年07月23日09:49

  來源:果殼

  即將在7月啟程的中國火星探測任務,在前不久的第五屆中國航天日(2020年4月24日)上,終於明確了任務名稱——天問一號。

  這一天也是我國第一顆人造衛星“東方紅一號”發射50週年紀念日,格外有“傳承”的使命感。

  邁向行星的“天問”系列

  “天問”來自中國偉大詩人屈原的長詩《天問》。在這首詩里,兩千多年前的屈原同學化身好奇寶寶,對天地萬物發起了一連串“靈魂拷問”。尤其是“日月安屬,列星安陳”這樣的求知渴望,正對應著兩千多年後的中國“走出”地球,探索遙遠行星世界的堅定決心。

“中國將行星探測任務命名為天問系列” | 央視新聞
“中國將行星探測任務命名為天問系列” | 央視新聞

  是的,意思就是說…… “天問”系列並不僅僅是中國火星任務的名稱,而是中國接下來行星探測任務共有的名稱。

“天問一號”標識 | 人民日報
“天問一號”標識 | 人民日報

  一個系列包含多個行星探測任務,這種命名方式早有先例。

  NASA的先驅者號系列(Pioneer program),用多發探測器在 1958-1978年間探索了月球、金星、木星、土星和空間環境。

先驅者號系列中的4種探測任務構型:(從左到右)先驅者A–E號、先驅者10/11號、先驅者金星1號(先驅者12號)和先驅者金星2號(先驅者13號) | NASA
先驅者號系列中的4種探測任務構型:(從左到右)先驅者A–E號、先驅者10/11號、先驅者金星1號(先驅者12號)和先驅者金星2號(先驅者13號) | NASA

  更有名的當屬NASA的水手號系列(Mariner program),用10次探測任務在1962-1973年短短11年時間里探測了火星、金星和水星,完成了數個人類深空探測史上的“第一次”。

水手10號 | NASA
水手10號 | NASA

  再算上探訪了外太陽系全部4顆行星的水手11和12號(也就是大名鼎鼎的旅行者1號和2號),可以說是一個系列囊括了整個太陽系。

旅行者1號和2號 | NASA
旅行者1號和2號 | NASA

  從這個角度來說,“天問”系列的目標是建立起我國自己的“行星艦隊”,目標不可謂之不大。

  只不過,想到20年後孩子們的考試題……

為下一代感到頭禿…
為下一代感到頭禿…

  三大任務:繞落巡

  天問一號將是我國自主發射的第一顆火星任務(遺憾失敗的螢火一號是借俄羅斯火箭發射的),不同於之前“輕騎兵”模式的螢火一號,天問一號將是絕對的重磅出擊——利用1次發射完成“環繞”、“著陸”、“巡視”火星這3大任務,也就是所謂的“繞落巡”。

央視新聞
央視新聞

  環繞通常通過環繞器(軌道器)來完成,例如目前在軌的NASA火星勘測軌道飛行器(MRO),就在一圈一圈環繞著火星的過程中展開各項探測。而中國的天問一號也會包含1個環繞器,完成至少1年的環火星探測。

NASA MRO軌道器(左)和中國天問一號軌道器(右)示意圖 | NASA、CNSA
NASA MRO軌道器(左)和中國天問一號軌道器(右)示意圖 | NASA、CNSA

  稍提一句,其實著陸任務也可以根據需要先環繞飛行一段時間,然後選擇合適的時機著陸,例如中國的嫦娥三號、四號著陸任務雖沒有攜帶軌道器,但著陸器帶著月球車在著陸月球之前也環繞了月球數圈。

  著陸可以通過著陸器或者巡視器來完成,兩者的主要區別就是著陸器不能動,而巡視器可以自由移動。我們熟悉的嫦娥三號著陸器+玉兔號月球車,嫦娥四號+玉兔二號月球車,就是著陸器+巡視器組合。

2019年1月11日,嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車兩器互拍。來源:中國探月工程
2019年1月11日,嫦娥四號著陸器和玉兔二號月球車兩器互拍。來源:中國探月工程

  也就是說,著陸器只可以完成著陸,而巡視器則可以完成著陸+巡視兩項任務。

  而本次天問一號則將通過一個著陸巡視組合體來完成著陸和巡視兩項任務。著陸巡視組合體包含進入艙(著陸架)和火星車兩部分,進入艙負責著陸,而火星車負責科學探測。

著陸巡視組合體的工作過程:著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測。(什麼?為什麼噴火是藍色的?不要在意這些細節)| CCTV
著陸巡視組合體的工作過程:著陸火星、分離火星車、火星車開展巡視探測。(什麼?為什麼噴火是藍色的?不要在意這些細節)| CCTV

  為了完成這樣高難度的目標,我們已經做了許多準備。

  長征五號:終於等到你

  想要一次把3個大傢伙運上火星,首先必須解決的難題就是運輸工具——火箭。要知道,相比於40萬公裡外的月球,火星可遙遠得多得多。

  火星和地球都是環繞太陽的行星,這意味著,兩者的距離會不斷變化:地球和火星位於太陽兩側時最遠距離大約4億公里,而位於太陽同側最近時也有5460萬公里遠。

圖源NASA
圖源NASA

  也就是說,即使是火星最近的時候,也有月球的150倍遠。

 最近時火星和地球的距離相比於地月距離的比例。改編自:James O‘Donoghue/NASA
 最近時火星和地球的距離相比於地月距離的比例。改編自:James O‘Donoghue/NASA

  不過,直線距離的對比,對我們理解火箭的發射難度其實並沒有直接的意義,因為不管是去月球還是去火星,探測器都 不 是 直 線 飛 過 去 的 ,而是通過火箭的運力把探測器送入一個大橢圓軌道,讓探測器飛著飛著自然而然和火星“相遇”——這就是傳說中的“霍曼轉移軌道”。

從地球到火星的霍曼轉移軌道,這樣的發射窗口每26個月一次。凡是跟你們說火星發射窗口是地球和火星距離最近的時候的,有一個算一個都是錯的。改編自:NASA
從地球到火星的霍曼轉移軌道,這樣的發射窗口每26個月一次。凡是跟你們說火星發射窗口是地球和火星距離最近的時候的,有一個算一個都是錯的。改編自:NASA

  之所以選擇這樣的方式飛往火星,完全是因為對我們可憐弱小又無助的地球人來說,相比於珍貴的火箭燃料,時間可以說是極其廉價——為了儘可能節省燃料,在路上花上個一年半載根本不是事兒。

  儘管路程不等於直線距離,但去往更遙遠的火星,依然需要我們有更強大的火箭。

  以前年發射嫦娥四號的長征三號乙火箭為例,這枚火箭的地月轉移軌道運力近4噸,把總質量3780公斤的嫦娥四號著陸器+玉兔二號月球車直接送入地月轉移軌道已經是極限。如果讓這枚火箭發射火星探測器,換算成地火轉移軌道運力就只剩2噸多了——去往火星之於去往月球,運輸能力打了7折。

  更要命的是,相比於只有著陸器和巡視器的嫦娥四號任務,需要一次性完成繞落巡使命的天問一號三件套總重約5噸,比嫦娥四號兩件套還重了1噸。

  也就是說,不管是天問一號去往火星,還是比嫦娥四號更重的嫦娥五號任務去往月球,我們都必須等待運輸能力更強大的火箭研製完成,那就是——長征五號。

 不不,不是昨天發的長五B,那是打近地軌道噠。改編自:CNSA
 不不,不是昨天發的長五B,那是打近地軌道噠。改編自:CNSA

  江湖人稱“胖五”的長征五號火箭,經曆過真正的至暗時刻。

  2016年11月3日,長征五號遙一火箭雖然二級出了些狀況,但還算順利完成任務,將實踐十七號衛星送入地球靜止軌道。

  2017年7月2日,長征五號遙二火箭發射失敗,帶著實踐十八號衛星一同葬身太平洋,也直接導致原計劃2017年11月發射的嫦娥五號月球采樣返回任務延期。

  之後,就是在黑暗中漫長的摸索,尋找故障原因,不斷測試和驗證。

  908個日日夜夜,這黑暗如此漫長。

  直到2019年12月27日,長征五號遙三運載火箭成功將實踐二十號衛星送入預定軌道。曆經坎坷,王者歸來。

長征五號遙三發射升空。這份沉甸甸的成功背後,是無數航天工作者們兩年多的嘔心瀝血,是無數中華兒女的堅韌和拚搏 | 我們的太空 史悅 呂炳宏
長征五號遙三發射升空。這份沉甸甸的成功背後,是無數航天工作者們兩年多的嘔心瀝血,是無數中華兒女的堅韌和拚搏 | 我們的太空 史悅 呂炳宏

  2020年1月19日,長征五號遙四火箭的氫氧發動機完成了總裝出廠前的最後一項驗證:100秒校準試車——標誌著這台發動機性能達到預定要求,即將轉入火箭總裝階段。

  長征五號遙四,就是負責發射天問一號的火箭。

來源:中國航天科技集團
來源:中國航天科技集團

  至此,天問一號才終於得到出發的保障,確定可以趕上2020年7月這次火星發射窗口。

目前公開的中國火星探測器實拍照片 | 中國航天科技集團
目前公開的中國火星探測器實拍照片 | 中國航天科技集團

  測控和數傳:4億公裡外的訊息傳遞

  解決了如何讓5噸重的天問一號探測器“上天赴火”的難題,才僅僅是個開頭。

  火星最遠時距離地球4億公里,是地月距離的1000倍。從這個角度來說,月球簡直可以說是“近在咫尺”。

  而距離越遠,不僅信號傳輸時間越長,更重要的是信號衰減也越劇烈。相比於月球,遙遠的火星顯然為地球與探測器之間的通訊帶來了更大的挑戰。

  與火箭和探測器保持通訊,或者說“測控和數傳”,可以拆分為三個方面的問題:1)跟蹤(火箭、探測器的)位置和速度;2)向探測器發送指令;3)接收探測器傳回的探測數據。

  而這三個方面都需要強大的地面站,或者說數目更多、分佈更廣、口徑更大的地面天線,這不是一朝一夕可以完成的。

  事實上,中國從嫦娥任務開始就已經在一步一個腳印地組建深空測控和地面接收網了。

  2011年,佳木斯66米和喀什35米天線基本建成, 同年11月就投入了嫦娥二號任務飛掠小行星圖塔蒂斯等後續拓展任務的S頻段測控支援,之後最遠跟蹤嫦娥二號至約1億公里才失聯。

佳木斯深空站(北緯46°2937, 東經130°4612)66米天線和喀什深空站(北緯38°2634.7, 東經76°4340.3)35米天線
佳木斯深空站(北緯46°2937, 東經130°4612)66米天線和喀什深空站(北緯38°2634.7, 東經76°4340.3)35米天線

  2013年,佳木斯深空站和喀什深空站正式建成並投入使用,同年12月正式加入嫦娥三號任務的測控工作,首次利用X頻段完成了嫦娥三號地月轉移、環月、動力下降和月面工作各階段的測控工作。兩處測控站至今仍在為嫦娥三號著陸器提供各項測控支援。

沒想到吧,雖然玉兔號早已停止工作,但嫦娥三號依然堅挺。2019年12月7日,嫦娥三號著陸器成功喚醒,開啟了第75個月晝的工作。| CNSA
沒想到吧,雖然玉兔號早已停止工作,但嫦娥三號依然堅挺。2019年12月7日,嫦娥三號著陸器成功喚醒,開啟了第75個月晝的工作。| CNSA

  2017年底,阿根廷35米天線深空站建成,不久就在2018年5月發射的嫦娥四號中繼星鵲橋任務中正式投入使用。在這次任務中,阿根廷、佳木斯和喀什站共同為鵲橋中繼星提供了S頻段測控支援,這也是3個測控站首次完成全網協作。

阿根廷深空站(南緯38°11′28.90″, 西經70°8′58.20″)35米天線及附近地形
阿根廷深空站(南緯38°11′28.90″, 西經70°8′58.20″)35米天線及附近地形

  至此,中國已經初步組建了自己的深空測控網。

全球主要深空測控設施分佈。截止目前,我國深空測控網由中國中國西北部喀什地區35米深空站、中國東北部佳木斯地區66米深空站和位於南美洲阿根廷的35米深空站組成
全球主要深空測控設施分佈。截止目前,我國深空測控網由中國中國西北部喀什地區35米深空站、中國東北部佳木斯地區66米深空站和位於南美洲阿根廷的35米深空站組成

  2018年12月,嫦娥四號發射,佳木斯、喀什、阿根廷3站為嫦娥四號的飛行、著陸、月背工作提供了X與S頻段測控通信支援,全面驗證了中國的深空測控能力。

嫦娥四號任務的月背通訊
嫦娥四號任務的月背通訊

  在此基礎上,為了火星和接下來更遠的深空探測任務,中國還在繼續強化測控網的建設,向著更大、更多、更廣的目標邁進。

  2019年10月底,西安衛星測控中心位於喀什的3台35米天線完成吊裝。多個天線可以單獨工作,也可以組成天線陣列,達到更大口徑天線的效果。

喀什新天線的吊裝 | 我們的太空
喀什新天線的吊裝 | 我們的太空

  另一邊,在探測數據的接收方面,除了之前已有的密雲40米和50米、昆明40米等天線之外,2020年4月25日,中國科學院國家天文台在天津武清的70米天線(GRAS-4)吊裝成功,預計到2020年10月投入使用,可以在天問一號抵達火星之後加入數據接收工作。

 來源:人民日報
 來源:人民日報

  任探測器飛得再遠,都能“抓得住”,“收得到”,這是我們邁向星辰大海的前提和保障。

  著陸火星:挑戰“探測器墳場”

  即使順利飛到火星附近,地面站也沒和探測器失聯,對於一個著陸任務來說,其實才只成功了一半。

  這一點也沒有誇張。從1960年人類第一次嚐試發射火星探測器至今,一共有15次火星著陸任務成功進入了火星大氣層,但只有8次任務成功著陸並順利開展探測工作——近一半的失敗率讓這顆紅色星球至今還保有“探測器墳場”的稱號。

截止2020火星發射窗口之前的火星著陸版圖,括號里的是抵達年份。數據來源:MOLA,製圖:haibaraemily
截止2020火星發射窗口之前的火星著陸版圖,括號里的是抵達年份。數據來源:MOLA,製圖:haibaraemily

  著陸火星比著陸月球要危險得多,這很大程度上要怪火星有大氣層。儘管火星大氣層很稀薄,表面大氣壓只有地球的6%,但也足以形成一個“屏障”,讓毫無防備的探測器“未達火星先燒壞”了。

  但也不是說火星大氣沒有一點好處,事實上,火星大氣的存在讓著陸器任務有了利用大氣摩擦減速和使用降落傘減速的空間,這些都能緩解之後使用反衝火箭減速的壓力。

  總之,相比於簡單直接的月球著陸任務,火星著陸任務多了很多複雜的步驟。例如著陸組件得先被塞進一個隔熱盾里保護起來,降落傘要能打得開撐得住,減速到一定程度隔熱盾還要打得開拋得掉…… 而這些都得靠探測器自主判斷和完成。

  更複雜,也往往意味著更多不確定性。任何一個操作環節出現問題,都可能會讓探測器無法成功著陸。這對於第一次嚐試著陸火星的中國來說,顯然有太多太多巨大的挑戰。

  例如降落傘,葉培健院士就表示要“反反複複抓降落傘”。歐空局和俄宇航的ExoMars 2020任務,很大程度上就是因為降落傘不過關,而退出本屆火星賽季的。

來源:央廣網、新華網
來源:央廣網、新華網

  例如著陸器如何完成最後階段的懸停、避障和下降操作。2019年11月14日,模擬火星重力環境下的天問一號著陸器懸停避障試驗在河北懷來完成。

來源:央廣網、新華網
來源:央廣網、新華網

  當然,還有一點不能不提的,是嫦娥工程的技術積累。從2007年到2018年,嫦娥一號到四號通過四次任務逐步實現了月球的環繞、著陸和巡視,這其中積累的實戰經驗和科學技術人才,是中國火星任務和接下來深空任務最寶貴的財富。

來源:探月工程數據發佈與信息服務系統
來源:探月工程數據發佈與信息服務系統

  探索火星,註定是一條充滿挑戰的荊棘之路,但也是中國想要邁向行星,去往更遠的星球所必須拿下的起點。

  天問一號,加油!

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