天問一號：在探火路上來一次“后發(fā)先至”

 

7分鐘

 

火星探測最大的難點在于“恐怖7分鐘”——在進入、下降與著陸過程中，要在7分鐘內(nèi)將探測器的時速從2萬千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實現(xiàn)，包括氣動外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來保證。

 

中國國家航天局供圖

 

今年7月，火星探測迎來發(fā)射“窗口期”，一旦錯過，就要等待近26個月。隨著這一關(guān)鍵節(jié)點的臨近，籌劃了多年的中國首個火星探測項目，也終于有了自己的名字——“天問一號”，中國行星探測任務(wù)則被命名為“天問（Tianwen）系列”。

 

我國首次火星探測任務(wù)計劃于7月?lián)駲C在中國文昌航天發(fā)射場執(zhí)行。中國航天科技集團五院火星探測器副總設(shè)計師賈陽此前表示，此次探測任務(wù)目標(biāo)是通過一次發(fā)射，實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測目標(biāo)，開展對火星全球性和綜合性的探測，并對火星表面重點地區(qū)進行精細巡視勘察。

 

一舉多得

 

少花錢多辦事

 

縱觀人類航天史，人們似乎對火星“情有獨鐘”，截至目前，全球共有40余次火星探測活動，這是為何？

 

中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉在接受科技日報記者采訪時給出了答案：“火星是太陽系內(nèi)與地球特點最為接近的行星，是人類未來移民的首選地。”

 

毋庸置疑，人類“第二家園”這一誘惑實在太大。“火星過去可能擁有過適合地球生命生存的環(huán)境條件。”張偉表示，研究火星地質(zhì)、表面成分的長期演變過程，巖石和空氣、水的相互作用等，將有助于我們理解火星生命可能存在和消失的原因，進而分析和預(yù)測地球的未來。

 

張偉介紹，人類探測火星的方式通常包括環(huán)繞、著陸、巡視、采樣返回、載人登陸探測等。今年“天問一號”一次發(fā)射同時要完成環(huán)繞、著陸、巡視3種探測目標(biāo)，實屬“少花錢，多辦事”。

 

一舉多得的背后，是復(fù)雜的技術(shù)和較高的風(fēng)險，國際上也鮮有先例。美國海盜1號、海盜2號火星探測器曾通過一次發(fā)射實現(xiàn)了環(huán)繞、著陸兩種探測目標(biāo)；歐洲也曾進行過類似的嘗試，但并未成功，只實現(xiàn)了“一舉一得”。

 

在中國航天科技集團五院深空探測和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士葉培建看來，我國首次火星探測任務(wù)實為“彎道超車”。他在接受媒體采訪時曾表示，我們?nèi)粝雽崿F(xiàn)超越，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)實現(xiàn)“兩步并成一步走”。事實上，我國很早就開展了相關(guān)研究。此次我國火星探測環(huán)繞、著陸、巡視計劃如果能夠一步完成，這一跨越式方案將成為全球首次。

 

多方合力

 

備戰(zhàn)探火“大考”

 

正如葉培建院士所言，我國火星探測計劃籌謀已久。

 

“2010年8月，8位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠深空探測的綜合論證，國家國防科技工業(yè)局立即組織專家開展了發(fā)展規(guī)劃和實施方案論證。”中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言曾撰文寫道，首次火星探測是深空探測的起點和重點，實施方案經(jīng)過三輪迭代和深化，于2016年1月正式立項實施。

 

從此，一場瞄準火星的深空探測大戲正式拉開帷幕。

 

首次火星探測任務(wù)由工程總體和探測器、運載火箭、發(fā)射場、測控、地面應(yīng)用5大系統(tǒng)組成。其中，探測器、運載火箭均由中國航天科技集團抓總研制。

 

2017年9月，第三屆北京月球與深空探測國際論壇傳來消息，我國火星探測任務(wù)的相關(guān)載荷已經(jīng)基本確定，涉及空間環(huán)境探測、火星表面探測、火星表層結(jié)構(gòu)探測等領(lǐng)域。

 

此次任務(wù)所采用的長征五號遙四火箭也已做好了充足準備。2020年1月，長征五號遙四火箭大推力氫氧發(fā)動機順利完成了總裝出廠前的最后一項驗證，標(biāo)志著這臺發(fā)動機性能達到預(yù)定要求，即將轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。

 

針對火星探測器的測控系統(tǒng)，是一種基于現(xiàn)有的航天測控網(wǎng)和深空測控網(wǎng)，包括北京航天飛行控制中心、佳木斯66米口徑天線測控站等，對火星探測器進行狀態(tài)監(jiān)視、軌道測量、飛行控制、在軌管理和應(yīng)急處置等的系統(tǒng)。2020年3月，北京航天飛行控制中心完成火星探測任務(wù)無線聯(lián)試，充分驗證了探測器與地面系統(tǒng)的接口匹配性和一致性，對各類方案、技術(shù)狀態(tài)、軟硬件系統(tǒng)進行了全面測試，為任務(wù)順利開展打下了堅實基礎(chǔ)。

 

中國文昌航天發(fā)射場也正積極備戰(zhàn)中。2020年5月5日，長征五號B運載火箭首次飛行任務(wù)發(fā)射場區(qū)指揮部指揮長張學(xué)宇表示，中國文昌航天發(fā)射場已經(jīng)具備了高密度發(fā)射實戰(zhàn)能力、高中低軌空間投送能力和任務(wù)并行測試發(fā)射能力。當(dāng)前，發(fā)射場系統(tǒng)將持續(xù)做好火星探測、嫦娥五號以及后續(xù)空間站建設(shè)階段飛行任務(wù)等重大航天發(fā)射任務(wù)的組織實施，堅決奪取疫情防控和航天發(fā)射任務(wù)“雙勝利”。

 

地面應(yīng)用系統(tǒng)整體吊裝完成，備受矚目。2020年4月25日，由中國科學(xué)院國家天文臺承建的首次火星探測工程地面應(yīng)用系統(tǒng)，在天津成功實施完成70米天線反射體的整體吊裝，中國首次火星探測工程副總設(shè)計師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來表示，70米天線今年10月能完全具備火星探測的數(shù)據(jù)接收能力。

 

目前，探測任務(wù)計劃正在有條不紊地進行，相關(guān)工作人員正加班加點，為即將到來的“大考”做準備。

 

難點眾多

 

挑戰(zhàn)與機遇并存

 

根據(jù)火星與地球的運動關(guān)系，再結(jié)合實際，考慮到當(dāng)前運載火箭的能力，就會發(fā)現(xiàn)每隔26個月才有一次有利的火星探測器的發(fā)射機會。

 

今年是全球火星探測的爆發(fā)期。據(jù)了解美國、阿聯(lián)酋也計劃于今年發(fā)射探測器，而此前同樣有此計劃的歐俄聯(lián)合火星探測任務(wù)因疫情等原因推遲到2022年。

 

據(jù)統(tǒng)計，至今全球火星探測成功率大約為40%，原因在于火星探測工程難點眾多。

 

張偉表示，火星探測最大的難點在于“恐怖7分鐘”——在進入、下降與著陸過程中，要在7分鐘內(nèi)將探測器的時速從2萬千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實現(xiàn)，包括氣動外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來保證。

 

“再者，探測器從地球飛往火星需要200余天，漫漫長路需要有可靠的通信。”張偉告訴科技日報記者，除此之外，在一定體積和重量約束的前提下，火星探測器還要充分提高能源的利用率，包括高效多結(jié)太陽能電池技術(shù)、高效蓄電池技術(shù)，以及能量密度高、壽命長的核電源等。

 

由此看來，此次我國同時開展“繞”“落”“巡”探測目標(biāo)，其難度之高不言而喻。這不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)的底氣，源自我國深空探測技術(shù)的飛速發(fā)展，源自無數(shù)航天科技工作者的不懈努力！（ 實習(xí)記者 于紫月）