探火坎坷,“天问一号”还需趟多少难关?
2021-05-23freelee
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“起点高、难度大”,这六个字是对中国火星探测任务的中肯评价。2021年3月4日,距离“天问一号”探测器发射升空已经过去224天。当日,国家航天局发布3幅由“天问一号”拍摄的高清火星影像图,展示了“天问一号”任务的阶段性成果。
然而,“天问一号”的征程远未结束。重头戏着陆任务预计在5-6月。成功着陆后,“天问一号”将“兵分两路”:火星表面的着陆巡视器将执行为期3个月的巡视任务;而维持在火星轨道上的环绕器,还要进行一个火星年(折合约两个地球年)的深度探测工作。
继承“萤火一号”“遗志”
国家航天局对“天问一号”提出一次性实现“绕、着、巡”三大任务的目标。“绕”即“环绕”,指探测器进入火星轨道,可环绕火星收集各类数据;“着”即“着陆”,探测器直接降落在火星表面;“巡”即“巡视”,探测器不但降落在火星表面,还可以派出火星车在表面移动。
“天问一号”是中国第—次自主火星探测任务。此前中国也制造过火星探测器。2011年11月,“萤火一号”搭载在俄罗斯的“福布斯一土壤”探测器中,在哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空。可膳,俄方探测器未能按计划变轨,“萤火一号”随之被困太空两个月后坠毁。
本次“天问一号”任务完全由中国自主执行。实现一次性“绕、着、巡”的目标,在火星探测史上前所未有。中国敢于在本国的首次行星探测任务中,提出全球航天意义上的突破性目标,配得上“起点高”的评语。
“难度大”则是火星探测任务本身的特性。自1960年苏联执行“火星1A号”任务以来,各国近50次与火星相关的太空任务,成功率仅约50%。其中比较突出的成就,主要由美国和苏联实现。
1965年,美国“水手4号”首次实现飞掠火星。1971年,美国“水手9号”率先实现环绕火星轨道。苏联“火星3号”则第一次在火星表面成功软着陆。1997年,美国“旅居者号”成为首台在火星地表工作的火星车。
/继承苏联太空科技成果的俄罗斯,都暂时没有成功完成完整的火星任务。/
而到目前为止,成功按计划完成火星任务的国家和地区只有4个——美国、苏联、欧洲、印度。甚至连继承苏联太空科技成果的俄罗斯,都暂时没有成功完成完整的火星任务。不过,俄罗斯与欧洲航天局合作的火星微量气体任务卫星已顺利运行4年,按计划完成的机会很大。
印度是火星探索的新势力。2013年,印度空间研究组织发射火星轨道探测器。探测器2014年进入火星轨道后,原计划环火研究6个月,但实际上继续执行任务至今。运作时长超过7年,印度探测器可以说是成功完成任务。
阿联酋也想成为新玩家。它于2020年发射的探测器“希望号”,在2021年2月入轨,实现中东航天探索的一大突破。“希望号”的主要任务同样是环绕。
所有实质上执行过火星相关的发射计划的国家和地区中,只有日本暂时未取得明显成果。1998年,日本发射一枚同样名为“希望号”的火星探测器,但探测器未能进入火星轨道。
着陆时机“短暂而唯一”
中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰曾分析,火星探测初期的难度在于人类航天技术处于起步阶段,但目前的难度则与火星的实际条件相关。
比较典型的难题是窗口期。为了节省燃料和时间,发射火星探测器应选择地球与火星相对位置十分接近的时候。这个时机每26个月才出现一次,最近一次是2020年7-8月。
中国、美国、阿聯酋正是抓住这次窗口期,分别派出“天问一号”“毅力号”“希望号”前往火星。错过窗口期,就只能再等两年。
实现环绕火星是另一个难点。刘彤杰介绍,探测器进入火星引力范围后需要制动减速,以便被火星引力捕获。速度太快,探测器就会错过入轨时机;速度太慢,引力会把探测器直接扯到火星表面。所以什么时候减速、减速到什么程度、减速节奏怎么样,这都需要精准计算。
2020年窗口期发射的探测器中,中国和阿联酋探测器均于2021年2月10日成功进入火星轨道,相关探测、数据收集工作相继展开。这对于均是首次探测火星的两国来说,都是成功的一大步。
美国则以巡视探测为目标。承担重任的“毅力号”直奔火星表面,于2月18日成功着陆。美国迄今已成功实现5枚不同的巡视器/火星车着陆。目前其“机遇号”“勇气号”也和“毅力号”一样,正在火星表面执行各自的探索任务。
相比“毅力号”“简单直接”的目标,由于肩负三大使命,“天问一号”旅行的方式有明显不同。“天问一号”在环绕期间,将多次掠过目标着陆点——北半球的乌托邦平原,开展预着陆区成像探测,其间会多次调整轨道。完成一系列准备工作后,“天问一号”预计最快在5月择日着陆。
着陆才是“天问一号”的最难一关,中国航天科技集团五院研究员、“天问一号”探测器总设计师孙泽洲称,这个机会“短暂而唯一”。由于火星与地球通讯存在延时,在大约7分钟的着陆过程中,没有任何人为调整干预的机会,全靠探测器根据实际情况智能应变。着陆过程要应对火星大气的影响:火星大气比地球稀薄,探测器着陆时会遭遇一定阻力和摩擦生热,但其性质与在地球大气时完全不同。对火星大气了解程度不足,将为着陆过程带来变数。
成功着陆后,新的难题在于火星车派遣。刘彤杰指出,如果着陆点不够平坦,或者着陆器的着陆姿势不够正,都会影响到火星车出动的方式。不过相比着陆,巡视因为可以接受人工控制的指挥,难度没那么苛刻。
如何破解火星生命之谜
“天问一号”火星车目前尚未定名。国家航天局选出了弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、风火轮、追梦、天行、星火10个候选名称,供大众投票选择喜爱的名字。2月28日投票结束时,最受欢迎的名字是“祝融”,获得50萬票。
/对火星大气了解程度不足,将为着陆过程带来变数。/
祝融正是中国神话中火神的名字。脚踩风火轮的另一位神话人物哪吒排名第二,票数44万。第三名是42万票的弘毅,典出《论语》“土不可以不弘毅,任重而道远”。任重道远,恰恰也是“天问一号”任务的写照。
一旦火星车顺利派遣,“天问一号”就进入“天地并存”的阶段。在“天上”的火星轨道,环绕探测器开展对火星全球性、整体性和综合性的详查探测。在“地下”的火星表面,火星车专注于重点地区的高精度、高分辨率的精细探测和就位分析。
从大众好奇心的角度来说,“天问一号”各项任务中,最吸引人的大概是“火星是否存在生命”。解答这个问题,当然不是像科幻作品那样用生命探测仪之类扫描,或者摄影机一通拍找出文明遗迹,而是真切地分析火星具体状况,例如土壤、地下层特征研究,水冰分布、古代湖泊河流研究,表面矿物研究,气候环境、电离层、磁场研究等。通过分析这些与生命密切相关因素的数据,我们才有机会判断火星现在或曾经有无生命的可能性。
实现“绕、着、巡”,“天问一号”任务就算基本成功了。但中国火星探测的工作节奏,并不完全局限在“天问一号”上。2020年年底,国家航天局宣布还在规划三项行星探测任务,包括—次小行星的探测和取样、—次火星的采样返回、—次木星系环绕探测和行星穿越探测。
其中火星采样返回,相当于是一次“着、巡、回”三位一体的任务。火星的物质样本如何被带回地球,又将是新的难题。当然,达成“起点高、难度大”的探火成就后,未来中国航天人必将更有信心迎接更大挑战。