穿越漫漫星空“天问一号”将抵火星

“天问一号”预计在5月中旬登陆火星(电脑设计图)

根据国家航天局近日公布的消息,2020年7月23日发射的火星探测器“天问一号”经过漫漫长路飞行,计划于2月10日前后抵达火星轨道。“天问一号”这一路走来的过程是怎样的?需要面对哪些挑战?后续任务计划如何? 

为何“扎堆”去火星 

除了我国之外,还有别的国家在很相近的时间内开展了2个火星探测任务,一是阿联酋的“希望”号(2020年7月20日由日本火箭发射),二是美国的“毅力”号(2020年7月30日发射),它们的发射日期与“天问一号”相差不到10天。三个探测器抵达火星轨道的日期也十分接近,据报道,“希望”号和“毅力”号抵达火星轨道的日期分别在2021年2月9日、2月18日前后。之所以出现这种“巧合”,是因为世界各国都争相利用了探测火星的“时间窗口”。 

众所周知,火星与地球都在围绕太阳进行公转,却拥有不同的公转周期(地球是365天,火星则是687天),因此两个星球之间的距离是时大时小的,最近的交会距离每780天(相当于26个月左右)才发生一次。距离最遥远的时候,火星和地球位于太阳的两边,相距4亿公里之远;距离最近的时候,火星和地球位于太阳的同一边,两者相距最近可以达到五六千万公里左右(即便是这一距离,也相当于地球和月球平均距离的100倍以上,用光速也需要好几分钟才能走完)。 

更加复杂的是,由于火星和地球运行轨迹都是椭圆,且偏心率不同,所以每次火星和地球“交会”时的距离也不尽相同;交会距离最短的时机会每隔15年至17年出现一次,此时的天文现象被称为“火星大冲”。由于世界各国都在争相开展火星探测行动,因此各国不可能去等十几年才发生一次的“火星大冲”时机,而是利用每26个月左右出现一次的地火接近时间窗口来发射火星探测器。 

入轨火星经历三个阶段 

由于探测器从发射到进入火星轨道还需要耗费至少几个月时间,因此探测器到底应该提前多久从地球“出发”,也需要非常精确地进行推算,这样才能让探测器在有限的燃料、有限的变轨次数条件下,在火星距离地球比较近的时机“切入”火星轨道。如果发射得过晚,就可能在探测器耗尽燃料时,火星已经运转过了最接近地球的位置,导致探测器“追不上”火星;如果发射得过早,就可能在探测器抵达交会位置时,火星“还没有到”,导致探测器提前飞越过了目标,进入茫茫的星辰大海。 

为了降低轨道计算复杂性和技术实施难度,历史上各国的火星探测任务大都采用“霍曼转移轨道”来规划飞行路径,我国的“天问一号”也不例外。这种轨道所需的变轨次数最少,具有耗时短、操作简单等优点,基本过程包括三个阶段: 

第一阶段,火星探测器从地球出发,在近地轨道加速,直到脱离地球引力。在这一阶段,可以简化地认为探测器主要受地球引力作用,轨迹相对于地球是双曲线形状;第二阶段,探测器逃离地球引力后进入火星引力影响范围之前,可以简化地认为该探测器仅受太阳引力作用,其运动轨迹相对于太阳是椭圆;第三阶段,探测器进入火星引力影响范围。在不同阶段之间,探测器通过加速/减速实现轨道的转移,就是所谓的变轨过程。当然,在同一阶段中间也可以进行探测器速度方向和大小的调整,例如2020年10月9日,“天问一号”主发动机点火工作了约480秒,成功完成了“深空机动”。 

“刹车”机会只有一次 

上述三个阶段只是从理论上对火星探测器的整体飞行轨道进行简单描述,现实中,在发射之后的飞行控制过程更是远比设计和模拟结果复杂,需要结合对探测器的跟踪遥测结果,确定现实轨道和理论计算结果的偏差,并多次发送轨道修正指令,以防止因为火箭发射、探测器分离、姿态控制、导航等复杂过程产生的细微误差累积,导致最终与火星的交会结果“差之毫厘,谬以千里”。“天问一号”成功实施了数次误差修正,包括2020年8月2日用3000牛顿的推进发动机实施第1次中途修正,以及9月20日用4台120牛顿的发动机点火20秒实施的第2次中途修正等。 

在轨道飞行的第三阶段,“天问一号”进入火星引力影响范围后,需要进行关键、危险的“刹车”动作,让自己被火星的引力“捕获”,这一过程与从地球表面加速、“逃离”地球引力范围的过程恰好相反。但是,这一动作的风险比从地球“逃离”时更大,体现在以下两个方面: 

制动捕获机会的唯一性。不管是通过发动机点火减速,还是利用探测器多次穿越火星大气层、通过与火星大气的气动阻力来减速,由于“天问一号”携带的燃料有限,因此必须精确判断和控制发动机开关时间,并保证点火的可靠性,才能及时实施变轨或制动。 

对自主控制的高要求。由于“天问一号”进入火星轨道时距离地球太远,捕获时与地球的单向通信延时超过10分钟,而且地面遥测定轨精度有限,无法对制动过程进行实时监视,因此不可能通过地球上科学家的实时遥控来“指挥”“天问一号”进行变轨和减速操作,而是必须由它自己根据预先植入的自主管理策略,自动实施变轨和捕获操作。 

着陆火星面临巨大挑战 

按照计划,此次火星探测任务将实现对火星的“绕、着、巡”,即火星环绕、火星着陆、火星表面巡视。总质量约5吨的“天问一号”探测器由环绕器和着陆巡视器组成,其中着陆巡视器包括进入舱和火星车。 

虽然我国已经多次完成月面软着陆任务,并且成功在月球表面部署了“玉兔”号月球车,但是火星的环境和月球大不相同:火星拥有稀薄的大气层,如果着陆器隔热措施没有做好,就可能导致着陆器因与大气摩擦生热而报废;火星表面的引力加速度(相当于地球的38%)比月球引力(相当于地球的17%)强得多,使下降着陆过程更加紧张、惊险,着陆平台载着火星车,从进入火星大气层到降落到火星地表只有短短七八分钟,却被人们称为“恐怖7分钟”,因为这过程中电磁信号是完全被屏蔽掉的,要完全依靠着陆器的自身本事;火星上有比月球更复杂的地貌和风暴、沙尘暴等天气,可能导致火星巡视器的太阳能电池板失灵;火星比地球和月球距离太阳更远,单位面积接受的太阳能量只有月球的40%,导致火星巡视器的能源效率更低,等等。 

到达火星后,火星车将在火星表面工作90多天,除了要进行探测作业,还会将它在亿万公里之外的所见所闻传回地球,帮助我们认识火星、了解火星。 

火星车最引人瞩目的就是竖立在前端的桅杆,顶端的方形设备就像机器人的脑袋。而顶端的方形盒子,就是火星车的“眼睛”,上面有帮助火星车避开障碍来实施前行实时探测的全景相机,还有识别矿物质成分的多光谱相机。在火星车上,还装有4个“大翅膀”,这正是太阳能电池板。除此之外,火星车还配有探测雷达、磁场探测仪和气象测量仪,可以对火星进行全方位的探测。 

■答疑

为啥我国火星车“先发后降”? 

中美两国两个火星探测器虽然在发射的时间一前一后,但是最终降落的时间可能会有较大的差距。美国宇航局“毅力”号将会在2月份登陆火星,而“天问一号”则还需要环绕火星飞行近3个月,在5月中旬才能登陆火星。明明是“天问一号”先发射,为什么花费的时间更长? 

两个探测器预计都是在接下来不到一个月时间内到达火星,所以这些探测器飞往火星所需的时间是无差别的。之所以在登陆阶段的时间出现差异,可能有以下这些原因。 

首先,“天问一号”探测器和“毅力”号探测器的任务不同,我们的“天问一号”需要一次完成环绕火星、着陆火星、巡视火星三大步,意味着火星探测器在进入火星后需要环绕火星运行一段时间,这是需要一定的时间的。而“毅力”号的任务相对简单一些,只是一辆火星车,还有一架小型火星直升机,也就是说,“毅力”号探测器的主要任务就是登陆火星,然后在火星表面展开巡视,而不需要花太多时间来环绕火星飞行。 

其次,美国曾经有过发射探测器到火星历史,所以他们已经积累了一定的经验,而对于我们来说这是开天辟地第一次,所以需要谨慎小心。这次探测器的重点和难点都是在“绕落巡”这三个问题上,这也是世界级的难题:即在首次发射的火星探测时便进行这样的高难度操作。这是前所未有的难度,我们更加要谨慎对待,在降落之前,可能还会出现很多新情况,这些都是之前的模拟实现没有出现过的,都需要技术人员们做足分析。

综合新华社、中新、《北京日报》报道

编辑:曾艳

责任编辑:罗宁

值班编审:卢超

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