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历时200多天的飞行 “天问一号”探测器成功进入火星轨道

加新网CACnews.ca| 2021-2-10 13:22 |来自: 腾讯科技

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腾讯太空 文/乔辉


据央视新闻消息,2021年2月10日20点50分左右,在经过200多天的飞行,总行程达4.6亿公里之后,我国“天问一号”火星探测器终于来到火星附近,并在近火点实施了刹车制动,成功被火星引力俘获,进入围绕火星运行的轨道。


“天问一号”这个名称源于屈原长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。


一、天问一号后续有什么安排?


据悉,接下来,“天问一号”还要经过几次轨道调整,以便抵达停泊轨道,然后在停泊轨道上继续围绕火星运行,并对预着陆区进行拍摄,将数据实时回传至地面。科学家会根据这些最新数据优化后续的着陆火星安排。


图注:“天问一号”火星任务探测器系统由环绕器和着陆巡视器组成(来源:CNSA)


据介绍,还要经过数月的充分准备后,着陆器和火星车组合体才能择机降落火星,轨道器则继续围绕火星运行,执行中继通信和火星探测等任务。


二、天问一号是如何抵达和入轨火星的?


文章开头提到,“天问一号”飞行了200多天,总行程达4.6亿公里。精确算一下,从2020年7月23日到2021年2月10日,实际共计202天。如果继续细算一下,202天飞了4.6亿公里,平均每秒大约飞行27公里!值得强调的是,这个是相对于太阳的速度。


图注:目前,天问一号位置示意图(来源:CNSA)。


根据轨道设计,当“天问一号”来到火星附近准备刹车的时候,其相对于火星的速度仅稍大于火星的第二宇宙速度,因此只需“轻轻”踩一脚刹车即可入轨。


当然,这个“轻轻”踩一脚刹车可不容易,要求力度和时机都要精准。如果刹车力度过大,可能坠落火星,如果刹车力度过小,无法被火星引力捕获。(注:火星的质量较小,其第二宇宙速度仅为5公里每秒,远小于地球11.2公里每秒的第二宇宙速度)。


另外,地球与火星相距遥远,信号从探测器传回地球有10多分钟的延迟,这也增加了测控难度,很多动作都要求探测器自主完成。



你是否仔细想过这个问题,火星轨道在地球轨道的外侧,它们共同绕太阳运动。火星绕太阳一圈大约需要2个地球年,火星运动的比地球慢,因此二者之间的相对位置在时刻变化。最远时两者之间的距离大约4亿公里,最近时大约5500万公里。那,是不是说当两者之间距离最近的时候才发射火箭呢?


答案是否定的。地球和火星的相对位置在时刻变化,我们不能有“刻舟求剑”的错误思维。


其实,早在1925年,有一位名叫霍曼的工程师就提出了一种让航天器变换轨道的最优方案,后来被称为“霍曼转移轨道”。具体到从地球飞往火星,这是一种连接地球轨道与火星轨道的椭圆轨道。


如果选取的发射时间窗口合适,当探测器沿着霍曼轨道运动到与火星轨道交点时,火星也能恰好运行到这个交点附近。对于发射火星探测器而言,这个时间窗口大约每26个月才出现一次。因此,错过发射窗口,就要再等两年!


这里要强调一下,这种最优的轨道设计不是最节省时间,而是最节省燃料,目的是为了最大限度提高有效载荷。理论上,采用霍曼转移轨道,从地球到火星要飞八个多月左右的时间。当然,探测器实际飞行的轨道往往并不是严格的霍曼转移轨道,实际飞行时间稍短或稍长。本次,天问一号耗时不到七个月就到达火星了。


三、阿联酋的“希望”号率先抵达火星



如果你持续关注太空,就会记得2020年有三个国家向火星发射了探测器:我国的“天问一号”探测器、美国的“毅力”号火星车和阿联酋的“希望”号探测器。其中,“希望”号探测器2020年7月20日率先发射升空,并于2021年2月10日凌晨成功率先进入了火星轨道。美国的“毅力”号计划将在2月19日直接登陆火星。


四、无形的风筝线:深空网


从地球飞到火星可不是一件容易的事情,火星探测器离开地球,在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远,发出的信号随着距离的增加而衰减,这就需要有强大的深空测控能力。


图注:位于美国加州戈德斯通的70米深空网天线。


最著名的要数美国深空网(DNS),这是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网,是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。


为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空测控网的布局通常是在全球范围内经度上间隔约120度,这样就可以确保对距离地球表面3万公里以上的航天器进行连续跟踪。


美国深空网由在全球按经度间隔120度分布的三个深空通信综合设施组成,分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室。美国深空网是目前世界上规模最大、能力最强的深空测控系统。


近年来,我国为了深空探测的需要,也建立了自己的深空网,嫦娥探月计划的成功实施,深空测控网功不可没。本次“天问一号”火星探测器,我们除了拥有推力强劲的长征五号运载火箭之外,还得益于拥有独立的全球性深空网。


图注:佳木斯深空站66米测控设备。


我们的深空通信综合设施主要是喀什深空测控站、佳木斯深空测控站和位于阿根廷的深空测控站。为什么要到阿根廷建设深空测控站?上面我们也提到了,为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续跟踪。


图注:阿根廷深空站35米测控设备。


据悉,虽然佳木斯站和喀什站充分利用了我国地域上的东西纵深,经过验证,其测控能力已可达到6400万公里,但是这两个深空测控站还不能实现全天24小时覆盖,每天还会有8到10个小时的测控盲区,要保证连续的通信还得在南美洲建一个站点。


目前,我国的深空网已成为继美国深空网、欧空局深空网之外,又一功能完备的全球性测控网。


除了这些专用的深空测控天线外,分布在国内的众多射电望远镜也能帮助接受信号,为我国深空探测任务保驾护航。


图注:位于天津武清的我国70米口径的高性能信号接收天线系统。


值得注意的是,2月3日,据央视新闻报道,位于天津武清的我国70米口径的高性能信号接收天线系统完成验收并投用,它是目前我国乃至亚洲最大的航天信号接收天线(非专用射电望远镜),这架天线首先用于“天问一号”信号的接收工作。


五、“天问一号”的科学目标是什么?


据官方透露,“天问一号”任务共有13种有效载荷。轨道器上的7台仪器包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。火星车上的6台仪器包括多光谱相机、地形相机、火星次表层探测雷达、火星表面成分探测器、火星磁场探测器和火星气象监测仪。


这些有效载荷要完成以下五大科学目标:


(1)绘制火星形态和地质结构图;


(2)调查火星表面的土壤特征和水冰分布;


(3)分析火星表面的物质组成;


(4)测量电离层和火星地表气候及环境特征;


(5)探索火星的物理场(电磁场、引力场)和内部结构。


人类探测火星的悲壮历史


图注:人类发射成功的火星探测器全家福。


迄今为止,人类已尝试发射了47次火星探测。其中,美国22次,前苏联和俄罗斯共19次,日本1次,欧洲2次,印度1次,阿联酋1次、中国1次。完全成功和部分成功共计25次。


其中,前苏联共尝试发射17次火星探测器,成功和部分成功仅5次,成功率仅29%。因此,火星有探测器坟场的称呼。


我们来看一看前苏联悲壮的火星发射历史:


1960年10月10日,苏联率先尝试发射火星探测器,遗憾的是,没有飞出地球轨道。


1960年10月14日,再发射一枚,又失败了。没有离开地面。


1962年10月24日,再发射一枚,又失败了,没有飞出地球轨道。


1962年11月1日,再发射一枚,这次终于发射成功,但在飞往火星的路上失联了。


1962年11月4日,再发射一枚,没有飞出地球轨道。


1964年11月30日,再发射一枚,这次发射成功了,但在飞往火星的路上又失联了。


1969年3月27日,再发射一枚,又失败了,没有飞出地球轨道。


1969年4月2日,再发射一枚,又失败了,火箭升空41秒爆炸了。


1971年5月10日,再发射一枚,又失败了,没有飞出地球轨道。


1971年5月19日,再发射一枚,这次终于成功了,并于1971年11月27日进入火星轨道。


此后,前苏联又发射了7次火星探测器,成功了4次,失败了3次。


随着科技的进步,近些年火星探测器的成功率已经有了很大的提高。


六、为什么人类热衷于探测火星?


图注:火星的地形地貌(来源: NASA)。


火星是太阳系内与地球环境最接近的行星,有稀薄的大气层,气压为地球的1%,局部最高温度甚至可达35摄氏度,当然平均温度还是比较低的,只有零下63摄氏度。此外,还封存有大量冷冻状态的水。因此,在未来,火星或许是唯一存在移民可能性的行星。另外,火星还可能存在像微生物这种低等生命的可能性。这也是世界各国热衷探索火星的重要原因。


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