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      行業資訊 | Industry News

      火星你好,中國來了!

      分享 發布時間:2020/8/7

          20207231241分,長征五號遙四運載火箭托舉著我國首次火星探測任務“天問一號”探測器,在中國文昌航天發射場點火升空。

      “天問一號”任務火星探測器由中國航天科技集團五院抓總研制,發射升空后將經歷7個月左右的長途跋涉,突破極其遙遠距離,到達火星并開展環繞和巡視探測。

      “探火”任務非“胖五”莫屬 

      發射深空探測器,需要運載火箭提供足夠的發射能量,使探測器獲得足夠大的初始速度。在分離速度確定的條件下,重量越大的探測器,所需要的發射能量也越大。

      在長征五號火箭出現之前,當時運載能力最強的長征三號乙火箭,大約可以將兩噸左右的探測器送入地火轉移軌道,而長征五號運載火箭的地火轉移軌道發射能力,超過了5噸。因此,發射“天問一號”任務的大號探測器,只有“胖五”能夠勝任。

      長征五號運載火箭2006年國家正式批準立項研制,2016113日在文昌航天發射場首飛成功,可謂十年磨一“箭”。長征五號運載火箭外形巨大,總長約57米,箭體直徑達到5米,而此前我國現役火箭箭體直徑最大的只有3.35米,由于其顯著粗壯的外形,被網友親切成為“胖五”。

      長征五號不僅是我國最高、體積最大的火箭,也是運載能力最強的火箭。長征五號火箭起飛質量約870噸,具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸運載能力,比長征三號乙火箭運載能力提升了2.5倍。長征五號首飛成功,大幅提升了我國自主進入空間的能力,把中國火箭送入包括美國和俄羅斯在內的世界主流火箭陣營。中國未來的載人航天工程空間站建設、探月工程三期以及火星探測任務,都將使用長征五號運載火箭。

      “胖五”飛出我國運載火箭的最快速度

      此次發射最大的看點是“胖五”將首次飛出11.2千米/秒的第二宇宙速度,托舉探測器完全脫離地球引力,奔向火星。第二宇宙速度也稱為逃逸速度,達到這一速度的航天器將成為圍繞太陽運行的人造行星。

      “此次發射火星探測器,是長征五號火箭第一次達到并超過第二宇宙速度,飛出了我國運載火箭的最快速度!遍L征五號火箭總設計師李東介紹說。

      “胖五”提供的發射能量(也就是分離時探測器動能和勢能的總和)將是探測器飛往火星的主要能量來源。探測器與運載火箭分離后,將開啟漫長的奔火之旅,大約要飛行7個月的時間,期間還需要經過中途修正,修正軌道偏差。

      在靠近火星附近時探測器將實施制動,實現被火星的引力場所捕獲,進入周期約10個火星日的環火橢圓軌道,再擇機實施軌道機動,進入周期約2個火星日的橢圓停泊軌道,完成著陸區預先探測和著陸點調整后,擇機釋放著陸巡視器。環繞器隨即進行軌道調整,進入中繼通信軌道。

      著陸巡視器與環繞器分離后,進入火星大氣,通過氣動外形、降落傘、反推發動機等多級減速和著陸腿緩沖,軟著陸于火星表面。巡視器與承載平臺分離,在火星表面開展巡視科學探測。

      “天問一號”將一步完成

      “環繞、著陸、巡視探測”

      我國首次火星探測任務起步雖晚,但起點高、跨越大,從立項伊始就瞄準當前世界先進水平確定任務目標,明確提出在國際上首次通過一次發射,完成“環繞、著陸、巡視探測”三大任務。如果這一目標能夠順利實現,我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。

      據航天科技集團五院深空探測領域專家介紹,由該院抓總研制的“天問一號”任務火星探測器,由環繞器和著陸巡視器組成,其中著陸巡視器又由進入艙和火星車組成,進入艙完成火星進入、下降和著陸任務,火星車配置了多種科學載荷,在著陸區開展巡視探測。

      中國航天科技集團五院供圖

      通過首次火星探測任務的實施,我國將驗證火星制動捕獲、進入/下降/著陸、長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關鍵技術,為建立獨立自主的深空探測基礎工程體系夯實基礎,推動我國深空探測活動可持續發展。

      “天問一號”漫長旅行中要闖過三大關卡

      第一關:

      捕獲!火星快抓住我

      “天問一號”將作為我國第二個進入環太陽軌道(第一個是“嫦娥二號”)的深空探測器直飛火星,想要讓它能安然被火星捕獲,就需要分別克服幾個難點:

      1、捕獲問題

      火星的質量比較小,其引力捕獲范圍也比較小,想要被火星捕獲,就需要極其精確的軌道才能實現。不過按照此前“北斗”系列衛星高超的發射精度來看(同步轉移軌道遠地點精度2公里,相當于近地點速度僅有每秒幾厘米的差異),這顯然不是問題;

      2、通訊問題

      火星與地球的距離在5000萬公里到4億公里不等,考慮到被火星捕獲的時候兩個星球之間的相位,顯然,比起“嫦娥”系列任務38萬公里的距離而言,是數百倍的差距。如此深遠的距離導致探測器天線發出的信號將變得十分微弱,因此需要地面構建深空探測網絡(Deep Space Network, DSN)。

      我國的DSN已經初步建成,而且證明了其能力:幾年前我國利用這套系統跟蹤飛出地月系的“嫦娥二號”,直到8000萬公里的深空,依然能夠與之通訊;如果把標準放寬一點,僅僅是追蹤航天器的話,2015年,我國研究團隊就已經測量到了47億千米外的“新地平線號”探測器。同時,隨著今年70米口徑深空天線在天津落成,以及與歐空局的深度合作,我國深空探測通信的問題顯然也已得到解決。

      第二關:

      制動!進入環火星軌道

      “天問一號”被火星捕獲之后,為了能夠進入環火星軌道,需要其能夠在近火星點進行制動,進入一個環繞火星的橢圓軌道且長期保持運行。

      在被火星引力捕獲的30顆探測器中,除去3次飛掠任務與7次不進入軌道直接進入火星大氣層著陸的任務之外,僅有3顆衛星進入環火軌道失敗,這其中既有探測器本身的因素,也有人為的因素。在此階段的難點主要在于:

      1. 指令注入問題

      在進入環火軌道的階段,地球與火星的通信延遲在十幾分鐘,這就意味著我們無法通過人工即時操作,只能預先注入指令的辦法來控制探測器。不過這個問題對于一個已經發射了數百顆人造衛星的國家而言不是難事,這與日常的發射任務的控制原理本身就是一樣的。只要不發生上世紀末美國的“火星氣候探測者”探測器因為控制系統采用公制單位,而地面人員注入了英制數據導致其直接進入火星大氣焚毀的低級錯誤,那么這就不是問題。

      2. 器件壽命問題

      我們注意到,之前有兩次失敗任務是由器件損壞引起的,不過這兩次失敗的任務都發生在上世紀七十年代,隨著人類技術的不斷提升,這個問題也將在很大程度上得到解決,至少21世紀以來進入火星軌道的探測器,它們都在預定軌道上運行得好好的。

      第三關:

      下降!死亡七分鐘

      在進入火星軌道之后,“天問一號”需要花幾個月的時間對火星表面進行測繪。等獲取合適的落區圖像之后,“天問一號”的著陸器將與軌道器分離,進入下降階段。

      火星表面崎嶇不平。圖片來源:NASA

      下降階段的時長往往在幾分鐘到數小時不等,美國人喜歡稱之為“死亡七分鐘”,這是由于他們的著陸器大部分跳過了進入環火軌道步驟,直接高速進入火星大氣層。而“天問一號”采用類似于上世紀美國“海盜號”探測器的方案,從火星的大橢圓軌道進入大氣層,速度更為緩慢一些,在火星大氣層中的飛行時間會比七分鐘長一些,技術難度相對要低一些。因此盡管我國一次性實現“繞落巡”的設置比較激進,不過難度仍然在可以接受的范圍內。

      但這絕不意味著登陸火星的任務就如同游戲一般簡單。在此前15次火星著陸任務中,成功完成軟著陸任務的有12次,但真正能實現有效數據傳輸的僅有8次,且這8位幸運兒都是美國研制的探測器!疤靻栆惶枴毕胍蚱啤懊绹е洹,圓滿完成著陸任務,一次性實現“落、巡”兩步,同樣需要克服幾個難點:

      1. 自主著陸問題

      盡管“嫦娥三號”與“嫦娥四號”已經成功完成了地外天體的自動著陸任務,但要注意的是,著陸月球是全程使用反沖發動機的,影響因素少;而且地月之間的通訊延時僅有一秒多,一旦在某些過程發生問題(例如懸停避障階段),人工操控也能予以挽回。

      而火星的第一宇宙速度相對月球而言較高,無法實現全程動力下降;雖然可以利用火星大氣進行氣動減速,輔以降落傘,可以較大量地削減下降階段需要的燃料,然而火星大氣過于稀薄,即便大面積展開降落傘,其末速度還是較大,因此仍然需要利用發動機反沖下降;且地火通訊延遲高,人工無法干預,此外還有火星近地面空氣的擾動問題等等,因此一切復雜的操作只能靠著陸器自己完成,這對于自動控制的要求無疑上了一層臺階,是下降段任務的最大難點之一。

      2. 著陸器元器件可靠性問題

      除了直接因為控制系統失靈的問題之外,著陸過程中產生的震動,火星獨特的環境也將令元器件失效的可能性大大增加。盡管現在航天器件的可靠性都有了質的提升,令近年來的火星任務成功率不斷走高,但相關問題仍然存在——例如降落傘或者電池板會不會卡死,電池板會不會因為火星揚塵而導致失效等等,這些核心問題關乎任務能否順利完成。

      我國火星探測器示意圖。圖片來源:國家航天局

      好在這些難點在地面上都一一進行了演示驗證,特別是去年11月的模擬火星重力的著陸器動力下降實驗,向全世界展示了我國在登陸火星上的充足準備。


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