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中国首次火星探测到底怎么搞?官方只给了一张图

京港台:2019-10-17 09:52| 来源:观察者网 | 评论( 2 )  | 我来说几句


中国首次火星探测到底怎么搞?官方只给了一张图

来源:倍可亲(backchina.com)

  近日,中国航天科技集团公布了进行我国首次独立的火星探测的探测器外观图片。

  

  然而,也仅仅只有一张图片……

  那么,我国的第一次独立探火将如何开展,图片上探测器的各部分功能又是什么?本文将根据在国内外已经公开发表的文献中所提供的信息,对这些问题做一些初步的解读。

  火星路漫漫

  2011年,我国曾计划于俄罗斯合作,利用俄罗斯“福布斯-土壤”号探测器进行火星探测的机会,安排我国研制的萤火一号探测器进行搭载飞行,与福布斯-土壤号共同到达火星附近后再行分离,执行各自的探测任务。然而,由于福布斯-土壤号出师未捷身先死,在地球附近变轨失败,我国的萤火一号也因此未能完成预定任务。

  

  (福布斯-土壤探测器。探测器中部的架子内部,就是搭载飞行的萤火一号探测器。)

  探索火星具有重要的科学和技术价值。从科学上讲,火星虽然和地球一样,都是岩态行星,但又有着许多与地球不同的特性。例如,火星没有像地球一样的较强的内禀磁场,指南针在火星上将无法正常使用。火星的大气相当稀薄,且主要成分是二氧化碳。目前的主流观点认为正是由于火星失去了内禀磁场形成的磁层的保护,才会逐渐被太阳风剥离了原有的稠密大气。另外,火星上很有可能曾经存在液态水和生命,而从现在测火星上寻找曾经的液态水和生命的蛛丝马迹,又为我们研究行星的演化过程提供了一个时间胶囊。

  从技术上讲,对火星的探索必然会推进一个国家的深空航天技术水平。无论是能够将相当重量的探测器发射到地月转移轨道上的大推力运载火箭,还是能够进行长时间、长距离可靠深空飞行的飞行器,以及支撑航天器工作的测控通信系统等等,都需要解决近地航天飞行所不需要解决的难题。同时,已经有不少机构设想未来对火星进行环境改造以移民(专题)火星的可能。虽然目前星际移民仍然处在设想阶段,但预先掌握有关技术,可以保证我们在未来竞争中的优势与地位。毕竟,当莱特兄弟成功的将人类历史上第一架飞机飞了36.5米的时候,跨洋飞行和超音速飞行这些现在已经司空见惯的技术,在那时也只是幻想。

  实际上,我国的科技人员在萤火一号计划开展的同时,就在构思我国独立进行火星探测的方案。当萤火一号在2011年遭遇不测后,科学家和工程师们仍然在多方倡议,希望我国能够实施独立的火星探测任务。同时,随着嫦娥三号任务的成功,我国实现了航天器在其他天体上的首次软着陆,而月球探测和火星探测又同属行星探测的范畴,火星探测所需的技术条件和基础设施,可由探月工程的积累进一步深化升级获得。在这些因素的促进下,2016年1月,国家正式批准我国的火星探测计划立项,并在当年4月22日的航天日新闻发布会上对外公布。

  环绕器和着陆器,一对好搭档

  虽然对新的飞行路径方案的研究已有不少成果,但在目前的技术条件下,人类向火星发射的探测器只能沿着一条被称为“费曼转移轨道”的椭圆轨道,从地球附近飞向火星附近。这条椭圆轨道的两端,一端与地球公转轨道相切,一端与火星公转轨道相切。由于探测器沿着这条轨道飞向火星的时间是一定的,而入轨的时机有必须使得航天器到达转移轨道另一端时,刚好与火星相遇,因此向火星发射的窗口每26个月才会出现一次。下次火星发射的窗口将于2020年出现,我国的火星探测器计划于那时启程,奔赴火星。在这个时间段和她一块上路的,还有美国NASA的火星2020探测器。

  

  (探测器未在发射窗口发射,虽然到达火星轨道但未能与火星相遇)

  

  (探测器在发射窗口发射,与火星相遇)

  从图片中,我们可以看到我国的首个火星探测器大致由两部分组成。上面的一部分呈现钝头的锥形,与神舟飞船的返回舱外观相似。而下面的一部分则外观金光闪闪,底部有一个喷嘴,与一般的卫星有几分相像。根据已发表文献的介绍,我国首次火星探测将在一次任务中实现火星环绕、着陆和巡视这三种手段的探测,而探测器由环绕器和着陆器两部分构成。笔者认为,图片中探测器的上半部分的钝头体是适合在火星大气中实施气动减速的外形,因此应该是着陆器,而下半部分没有为着陆过程中与大气的相互作用采取特殊措施,应该是不进入火星大气层的环绕器(也称轨道器)。

  

  按照计划,环绕器和着陆器的组合体将由长征五号火箭直接送入地火转移轨道,也就是上文所提的费曼转移轨道飞向火星,而不会像某南亚国家的探测器一样,在地球附近要兜很长时间的圈子一点一点的变轨。一般来说,这种较为复杂的入轨操作,要由为长征五号配套研制的远征二号上面级来完成最后的工作。入轨后,探测器要经历9个月左右的飞行,其间还要视情况对轨道进行中途修正,才能到达火星附近。在接近火星后,探测器要使用自己的发动机实施变轨操作,从以太阳为中心的转移轨道过渡到以火星为中心、周期约为10个火星日的椭圆轨道上。在这条轨道上进行调整后,探测器会再行过渡到周期为2个火星日的椭圆停泊轨道上,进一步接近火星。在这里,组合体会对预定的着陆区进行抵近探测,确定实际使用的着陆点。之后,着陆器和环绕器分离,着陆器在火星软着陆后释放巡视器(也称“火星车”),由巡视器开展巡视探测。而环绕器则留在环绕火星的轨道上,在进行探测的同时,也充当火星车与地球之间的“信使”,提供通信中继服务。

  

  做难事必有所得

  对于火星探测来说,环绕探测可以使我们获得有关火星较为全面的信息,而着陆和巡视探测则能够使我们获得更为的精细信息,在环绕器和巡视器的相互配合下,我国首次火星探测将完成研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征和火星物理场与内部结构这五方面的科学目标。同时,虽然在火星表面着陆的航天器也能直接与地球进行通信,但由于着陆器和巡视器一般不会配备增益比较高的天线,受遥远距离导致的信号衰减影响,与地球通信的带宽十分有限。此外,受火星的自转及火星与地球间相对位置等因素的影响,能够进行直接通信的时间段也比较有限。因此,环绕器不只在科学上具有与着陆器、巡视器互补的作用,其中继通信功能也是巡视器能够完成任务的必选配备。

  对于美国NASA这种已经长期进行火星探测的老手,往往在新的着陆器发射前,火星附近就已经有多个环绕器在稳定工作。因此,只需单独发射着陆器,就能依靠已有环绕器的中继通信服务完成任务。例如,当好奇号火星车发射时,NASA的火星奥德赛、MRO及其合作方ESA的火星快车,都已经在火星轨道上等待为好奇号提供服务。而对于我国的首次独立火星探测,就采取了把环绕器和着陆、巡视器打包在一起发射的方式。这也是美国的维京1号(“维京”也译作“海盗”)、维京2号等最初进行火星着陆探测的探测器所采用的方式。

  我国的环绕器和着陆巡视器的总重量达到5吨,和NASA单独发射的火星车与环绕器重量之和相差并不大。例如,MRO的发射重量为2.18吨,好奇号火星车的发射重量为3.89吨,两者合计约6吨。较大的发射重量为有效载荷的配置提供了充分的空间。在我国的火星探测器上,环绕器供配备了7台科学载荷,火星车供配备了6台科学载荷,为多方面科学目标的完成提供了保证。同时,组合体的一些资源可以在环绕器和着陆巡视器间共享。例如,用于提供变轨动力的主发动机,也就是图片上组合体底部的喷管所处的装置,就无需像单独发射时那样,为环绕器和巡视器分别配置。

  

  (美国好奇号在火星着陆的过程。我国的火星探测器除了在动力下降段及之后的过程中可能与好奇号采取的方式有所不同外,整体上的过程应该大致相似。)

  而着陆器在外观上之所以看起来与神舟飞船的返回舱有几分相像,是因为它和神舟飞船的返回舱一样,都要经历与大气层剧烈的相互作用过程。在着陆过程中,着陆器首先会与火星大气相互作用而减速,尔后降落伞打开,进一步为着陆器减速。在此之后,这个墩头锥状的外壳应该就会完成任务,与着陆器的主体部分分离。着陆器主体利用自身的发动机再进行自主动力避障等过程,最终完成软着陆,并释放月球车。

  在嫦娥探月工程中,我国积累了对于行星表面着陆的经验,还成为了世界上唯一一个实际应用自主动力避障技术的国家。嫦娥探测器可以利用自身搭载仪器对着陆场的危险地形进行自动识别,选择最为安全的位置降落。在火星着陆中,这些技术应该同样会得到应用。

  不过,由于火星有大气而月球无大气,在火星的着陆过程要考虑与大气的相互作用,因此在火星着陆的过程比月球的着陆过程更为复杂。同时,由于火星大气的性质与地球大气不同,也不能直接照搬神舟号返回舱的相关技术,必须针对火星大气的特性进行进一步的研发。

  由于火星与地球相聚十分遥远,信号传播的时间延迟相当大。在探测器到达火星附近执行一系列关键动作时,与地面的通信延迟高达15分钟。也就是说,探测器在火星上的任何风吹草动,理论上至少需要30分钟才能收到地球上发来的反馈控制。而从探测器进入火星大气到完成着陆,整个过程在8分钟时间内就会完成,且每个动作之间是一环套一环的深度耦合关系,几乎没有重来一次的补救机会。因此要求相关技术方案和设备必须具有很高的可行性和可靠性。探测器本身也要具备较强的自我管理与控制功能,一旦发现问题,必须在极短的时间内进行诊断和纠正。

  不过,做难事必有所得。迄今为止,真正玩转了火星着陆软着陆探测技术的只有美国一家,而它也是我们一直对标追赶的对象。通过此番向火星发起的冲击,我国的深空探测技术必然得到相当大的提升,为未来探索太阳系的其他行星以及太阳本身,甚至飞出太阳系奠定坚实的基础。

  (本文仅通过已发表的文献,为读者做一些先睹为快式的解读。关于我国首次火星探测任务的准确信息,请以相关任务单位的权威发布为准。)

  参考内容:

  [1]耿言,周继时,李莎,付中梁,孟林智,刘建军,王海鹏.我国首次火星探测任务[J].深空探测学报,2018,5(05):399-405.

  [2]李春来,刘建军,耿言,曹晋滨,张铁龙,方广有,杨建峰,舒嵘,邹永廖,林杨挺,欧阳自远.中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置[J].深空探测学报,2018,5(05):406-413.

  [3]郝万宏,董光亮,李海涛,王宏,樊敏,周欢,徐得珍.火星大气进入下降着陆段测控通信关键技术研究[J].深空探测学报,2018,5(05):426-434.

  [4]朱岩,白云飞,王连国,沈卫华,张宝明,王蔚,周盛雨,杜庆国,陈春红.中国首次火星探测工程有效载荷总体设计[J].深空探测学报,2017,4(06):510-514+534.

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