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探测火星的中国速度:一次实现三步走用时不到

探测火星的中国速度:一次实现三步走用时不到

  “我们为什么要探测火星?人类为什么热衷于探测火星?”6月24日,天问一号火星探测器总设计师孙泽洲在香港大学与学子们分享《“天问一号”的探“火”之路》,揭秘中国是如何成为世界上第二个成功着陆火星并开展巡视探测的国家的。

  这是“时代精神耀香江”系列活动中的一场。近期,负责“神舟”“天问”“嫦娥”等国家重大航天项目的科学家团队走进香港校园,展示交流中国航天工程的成果与精神。

  从2016年1月立项开始,5年多时间,我国在火星探测上创下了人类历史的多个“第一”。与南都大数据研究院一同来看看中国速度吧。

  2020年7月23日,中国首次火星自主探测之旅正式开启。当天中午12点41分,在海南的文昌航天发射场,“胖五”家族成员长征五号遥四运载火箭携带天问一号火星探测器点火升空,经过2167秒飞行后进入预定轨道,发射成功。据统计,这是中国的第369次航天发射。

  探测火星的发射任务有什么特别?南都大数据研究院梳理对比了本次天问一号火星探测器与我国探月工程的其中五次航天发射情况(嫦娥五号载入返回飞行试验器和目前位于拉格朗日L2点的嫦娥四号“鹊桥”中继卫星的发射任务不在统计范围之内)。

  这六次发射都将航天器成功送入预定轨道。从发射地点来看,探月工程的前四次发射都选择在西昌卫星发射中心,均由长征三号系列火箭执行,器箭分离的时间相对较短。嫦娥五号月球探测器和天问一号火星探测器的发射任务则选在海南的文昌发射场进行,都由长征五号系列火箭运送,入轨时间相对较长,在2200秒左右。

  公开资料显示,在北纬19度附近的文昌发射场进行航天发射,比在较高纬度的西昌卫星发射中心节省约15%的燃料,所运载的航天器寿命也更长。此外,文昌发射场更可以发射长征五号与长征七号等长征家族的最新系列运载火箭,并承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务。

  近年来中国的航天发射次数逐年增多,南都大数据研究院梳理发现,2018年更是达到创纪录的39次。

  6月24日,龙乐豪院士在香港大学的讲座上透露,我国的长征系列运载火箭已经完成了375次从近地空间到太阳系深处的发射,成功率世界第一,入轨精度、发射次数世界一流。其中的佼佼者就是长征三号(CZ-3)系列运载火箭,目前已发射119次,成功率98%。

  经过200多天的飞行,天问一号火星探测器在2021年2月10日进入环火轨道,并在2月15日、2月20日和2月24日先后实现了近火制动。5月15日,在经过三个月的环绕火星飞行后,天问一号着陆器在经历了完全失联的“黑色9分钟”后,降落到火星北半球的乌托邦平原。4天后,祝融号火星车正式进入工作状态,并通过环绕器传回遥测数据。5月22日,火星车驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测,这也正式宣告我国在火星探测工程中一次完成“绕落巡”三步走,为人类历史上第一次。

  第一次尝试,便一次完成“三步走”探测任务,成功率100%,究竟有多不容易?南都大数据研究院对比了我国与美国、苏联的火星探测过程。

  从时间上看,首先进行火星探测的是苏联。1960年10月,苏联在4天内先后发射了两枚火星探测器,但它们连地球轨道都没有到达。在接下来的28年,苏联一共发射了近20个探测器,但均以失败告终。最后发射的福波斯2号探测器虽然在1989年3月27日进入环绕火星轨道,但不久即与地球失去了通信联系,其所携带的着陆器也没能在火星表面着陆。

  1964年,美国也开始了火星探索之旅。当年12月,水手3号和水手4号探测器先后发射。前者因轨道偏离最终导致发射失败。后者在表面9800千米上空掠过火星,向地球发回了21张照片,但也未能成功进入环火轨道。直到1971年11月,水手9号经过6个月的飞行,成为人类有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器。它在火星轨道上工作了将近一年之久,发回了7329张照片,覆盖了火星表面85%的部分。而在对火星地表的探测上,美国也是在1997年7月才取得进展。“火星探路者”号所携带的索杰纳火星车成功降落到火星表面,但只有微波炉大小的它却无法离开登陆平台太远。直到2004年初,勇气号和机遇号火星车才实现真正意义上的火星表面巡视。

  2016年,中国自主火星探测任务正式获得国家批准立项。任务要求通过一次发射任务实现火星环绕、着陆和巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,在火星表面开展区域巡视探测。也就是说,准备期仅仅为五年,只进行了一次尝试,中国便成功完成了环绕、登陆和巡视火星的任务,整个过程的耗时比美国(32年)的六分之一还少。

  从成功率上看,中国一次发射便宣告成功,是世界上第一个首次就实现火星“绕、落、巡”探测的国家。美国的成功率为77.27%,但也经历了五次“空手而归”。苏联则进行了18次尝试,无一成功。再算上其他国家地区的多次尝试,人类60年来探测火星的总体成功率仅为40%。

  为什么探测火星如此困难?首先是距离,火星距离地球至少5500万公里,远大于地球和月亮之间的38万公里。火星同时也在绕着太阳公转,这意味着从地球走向火星,难度要远远高于探月。探测器发射的最好时间是两年一次(26个月)的火星冲日,相对距离最短,也最节省燃料,而该窗口期的持续时间也只有一个月左右。然后是技术,据中国工程院院士、国防科工局深空探测重大项目实施方案论证专家委员会成员姜景山介绍,飞行器在到达火星时需要及时进行减速刹住车,一旦刹车早了或晚了,都不会被火星轨道捕获,任务便宣告失败。

  此外,孙泽洲总设计师在讲座上介绍,火星探测也存在远距离通信质量难以保证、降落时的“黑色九分钟”挑战、火星气候复杂多变等难题。针对这些困难,项目团队采取了多项措施进行应对:第一,通过设置多颗中继卫星提升信号质量,保证几亿公里外的天问一号火星探测器也能在大部分时候顺利接收指令;第二,通过研究火星大气层的气体构成与含量比例等数据,研制特殊材料的降落伞,并采用基于配平翼的弹道—升力式这一创新方式进行降落;第三,以太阳能集热器和全新的纳米级气凝胶隔热材料“武装”祝融号火星车,应对火星上的多变、极端气候,延长工作寿命;第四,采用高强度、轻量化、高硬度铝基碳化硅材料和一体化车轮成型技术,尽可能避免在轨故障,保障祝融号火星车在复杂地形中安全移动。

  进入2021年6月,“祝融号”火星车已处于工作状态,先后传回多张登陆点附近的地形照片与自拍照,引起热议。中国足迹也开始留在火星表面。据我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥披露,“祝融号”已在降落后的28个火星日累计行驶了八十多米,“对比月球背面平均每月不足34米的玉兔二号月球车而言效率高出了很多”。

  要进行复杂、繁重的地外天体探测任务,科学仪器必不可少。为此,南都大数据研究院整理了天问一号火星探测器与祝融号火星车身上的“黑科技”仪器。

  照相机是标配,而且无论是天问一号火星探测器,还是祝融号火星车,都装备了两台功能与技术都不一样的照相机,用以拍摄与获取相关地形、地貌和地质的图像资料。其次,雷达和测量仪也是必备的“武器”,两者都配备了次表层探测雷达,用以获取岩层、土壤、电磁波等数据。此外,用以探测磁场、气象、温度、大气成分的分析仪、测量仪也是少不了,能通过持续记录、分析相关数据的演变,获悉火星气候、空间的变化规律。

  此外,祝融号火星车能工作多久?虽然它的官方预期工作寿命仅为3个月(90个火星日),但从勇气号、机遇号等火星车的前辈来看,只要能保证其太阳能面板所维持的动力,再加上创新性地利用气凝胶保温材料来减少热量损失和独创的相变保温系统,祝融号火星车同样可能成为火星上的“劳模”,实现超期服役。

  随着天问一号火星探测器和祝融号火星车先后出色地完成任务,中国的火星探测第一步已宣布圆满结束。那么之后还将有什么深空探测计划?

  张荣桥在接受采访时透露,下一步的目标就是要开展从火星采样返回的先期关键技术研究,并进一步夯实我国从火星上采样返回的关键性技术。火星取样返回任务和2020年末开展的嫦娥五号月球取样返回任务在方式上基本一样,但火星与地球的距离要比月球远得多,而且火星的质量和引力都比月球大不少,所以需要攻克的难关不少,“需要拿出2—3年的时间把其需要的核心技术解决掉”。

  此外,张荣桥也确认,“天问二号”就是执行去火星采样并返回地球的任务,“如果美国宇航局(NASA)无法在下一个火星窗口期实施火星取样返回任务的话,那么我国很可能在这一事项上领先美国,首先完成带回火星样本的任务”。

  另一方面,我国的地外天体探测任务的对象也不只有火星。张荣桥表示,“天问三号”“天问四号”会陆续进行,在火星之外还有木星系等的探测活动,“按照我们中国速度,争取尽早完成”。

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