中国首次自主火星探测任务正式启航

新闻 2020-07-23 15:26:23

就在刚刚,中国首次自主火星探测任务正式启航。

在椰林深处的海南文昌航天发射场,火星探测器「天问一号」在中国最强火箭长征五号遥四 1000 多吨的推力下,以十几分钟翻越 220 多座珠穆朗姆峰的速度,冲破大气层,奔向距离地球超过 6000 万公里的红色星球。

在不久前,我们见证了 SpaceX 首次载人航天任务。其实 2020 年也是中国航天史实现一座座里程碑的一年。

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搭载新一代载人飞船的长征五号 B 火箭首飞成功,为之后宇航员常驻的天宫空间站和载人登月打下基础。

而「天问一号」的发射,则开启了我国星际探索的新征程。

关于「天问一号」,你需要知道的 7 个冷知识

何为「天问」

其实早在 4 年前,国家航天局就宣布重启火星探测计划,并在 2020 年自主发射首颗火星探测器。

不过直到今年 4 月 24 日,国家航天局宣布,中国行星探测任务被命名为「天问」系列,火星探测任务才拥有了自己的名字——「天问一号」,未来我们还将看到前往土星、木星等行星的「天问 n 号」。

值得一提的是,4 月 24 日正是我国首颗人造卫星「东方红一号」发射 50 周年的日子,选在这一天公布「天问系列」颇有传承的意味。

「天问」这个名字则来自古代著名诗人屈原的长诗《天问》,在 2000 多年前屈原就对天地分离、日月星辰发出了一系列天问。

▲ 图片来自:微博@more_space

今天,中国航天人正在用「天问系列」来深入苍穹,来解答屈原「九天之际,安放安属?」的天问。

中国星际探测任务的标识也有着独特寓意,这个 logo 由多个字母「C」组成,有着中国行星探测(China)、国际合作精神(Cooperation)、深空探测进入太空的能力(C3)等含义。

我们现在看到火星探测任务名称和任务标识,其实都是面向全球征集的。共收到了 35912 个投稿中,最终在 327 多万人参与的网络投票中诞生。

面向大众征集命名这也是 NASA 一贯的做法,比如著名的火星车「勇气号」和「机遇号」的名称,就是通过小学生征文比赛诞生的。

▲ 勇气号.

这种方式的重要意义在于,可以在征集过程中向公众科普航天知识,让普罗大众也能参与到专业度极高的航天任务中。

错过这次发射窗口,要再等 26 个月

这个 7 月,发射火星探测器的国家不止中国,上周阿联酋首颗火星探测器「希望」号已经升空,再过几天美国的「毅力号」和「机智号」也将踏上火星之旅。

之所以各国都挤在这段时间奔向火星,因为现在正值火星探测的发射窗口,如果错过,下一次就等到到 26 个月之后了。

这和地球与火星的公转周期有关,因为两颗星球的公转速度不同,相对距离在在不断变化,最近时有 5500 万公里,最远时超过 4 亿公里。每隔约 780 天太阳、地球和火星才会处在一条直线上,这时地球距离火星距离最近,也就是所谓「火星大冲」。

不过,探测器并不是在「火星大冲」时发射的。而现在的探测器也不可能从两点之间的最短直线飞往火星,而是要通过一个叫做「霍曼转移轨道」(Hohmann transfer orbit) 的椭圆飞行轨道抵达。

「霍曼转移轨道」是目前探测火星最节省燃料,也是最高效的一条飞行路径,这一路线同样需要太阳、地球和火星处于相对合适的位置,但并不是在连成一线时,周期同样是 26 个月左右。

按照这个飞行轨迹,今年发射火星探测器的需要飞行 7 个月左右才能抵达火星。根据航天领域专家邢强博士计算,天问一号将于 2021 年 2 月 11 日,也就是大年三十当天被火星引力俘获,并在明年 4 月 23 日开始开始着陆火星。

中国最强火箭「胖五」

人类所有的太空探索,如果离开运输火箭都是罔水行舟。可以这样说,运输火箭的能力基本和一个国家航天实力划等号。

而在过去的火星探索中,各国基本都用了上了自家最强的火箭,比如美国的「宇宙神 5 号」火箭和俄罗斯的「质子-K」火箭。

中国也不例外,这次搭载「天问一号」上天的,就被称为「胖五」的长征五号遥感四火箭。

▲ 图片来自:新华社

之所以叫「胖五」,因为这是中国直径最大的一支火箭,直径芯级达到 5 米,此外还要捆绑 4 枚 3.35 米助推器,是个体重 869 吨的「大胖子」。

正是因为太胖了,「胖五」不能再像过去的火箭一样通过铁路运输,因为这已经超过铁路桥洞的直径,只能改由两艘运输船从海路抵达发射场。

「胖五」提升的不只是尺寸, 8 台液氧煤油发动机和 4 台氢氧发动机,赋予了它国产火箭最猛的动力,起飞时的推力可以达到 1000 多吨。

此外液氧和液氢两种推进剂分别要零储存在零下 183 ℃ 和零下 253 ℃条件下储存,这枚火箭又被称为「冰箭」。

▲ YF-100K 发动机.

这样的动力和体积给了「胖五」我国史上最强运载能力,它在近地轨道运载能力为 25 吨,直接在现役国产火箭基础上提升了 2.5 倍以上。

虽然这比不上现役最强运输火箭重型猎鹰火箭,但已经迈入了国际一线行列。目前美俄的主力火箭,运输能力也主要集中在 20-30 吨级别。

▲重型猎鹰火箭.

要实现这么多「之最」,「胖五」的设计也异常复杂。全箭共使用了十几万个零部件,采用了自主研发的 247 项核心关键技术,设计量和制造量是过去长征火箭的 3.5 倍以上。

「胖五」的出世并不顺利,在 2017 年长征五号遥二火箭发射失败后,中国航天人经历了两年多至暗时刻,直到去年 12 月才让长征五号遥三火箭成功将实践二十号卫星送入预定轨道。

▲长征五号遥三运载火箭发射. 图片来自:新华社

「胖五」对于在中国航天的意义不仅在这次火星探测任务,之后的嫦娥五号和天宫空间站,没有「胖五」这个量级的火箭根本想都不用想。

人类航天史上的创举

虽然中国在火星探测领域上仍是一名追赶者,但起点却非常高。天问一号这次将完成一项人类航天史上的创举,在一次发射中同时完成「绕落巡」」三大任务。

所谓「绕落巡」,简答来说要让一颗卫星绕着火星飞行,同时让一个着陆器降落到火星上,并排出一辆火星车在巡航。

这三项任务其实早在几十年前就已经有国家实现,但都是分多次完成,从来没有哪个国家可以在一次任务同时实现,一旦实现就是航天史上一个新的里程碑。

不可否认,这一方面是因为我们站在了巨人的肩膀上,美苏过去对火星的探索让火星的地貌、气候等被了解,但更离不开我国在航天技术上的进步。

一旦这次任务成功,中国将成为继美国后,世界上第二个独立掌握火星着陆巡航探测技术的国家。

决定成败的「黑色 7 分钟」

登陆火星之所这么难,最大的挑战其实是着陆过程的「黑色 7 分钟」。

据中国科学院院士 、航天科技集团科技委主任包为民介绍,天问一号着陆火星主要分为气动减速、伞系减速、动力减速、着陆缓冲 4 个阶段,历时 7-8 分钟。

天问一号在进入大气层时,要将速度从 4.8 公里/秒在 5 分钟内减速到 460 米/秒,而且还要精确控制与大气层的角度,角度太大会因为与大气摩擦导致过于高温,角度太低则无法进入。

接着降落伞就要打开了,在 90 秒内将速度降至 100 米/秒以下。如果风速太大可能也会导致着陆失败,可对于这个风险我们只能听天由命了。

当着陆器距离火星地表 3-5 公里时,就可以把降落伞扔掉,启动反推发动机,抛掉大底和背罩,露出着陆平台和火星车,逐步减速到 3.6 米/秒。

最后 100 米,着陆器要自主检测避开障碍物,寻找安全的着陆地点。在与火星接触的瞬间依靠四条着陆腿来缓冲和吸收最后的冲击,保证平稳着陆。

以上几个阶段,只要某一个环节出现问题,就可能前功尽弃,用全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩的话来说:

每个环节都必须精准无误,其难度不亚于在巴黎打一个高尔夫球要落到东京的一个洞里。

此外由于地球和火星距离过于遥远,会存在 20 分钟左右的信号延迟。着落的全过程要由天问一号自主完成。

自从 1960 年人类首次发射火星探测器以来,一共 15 次尝试在火星着落,只有 8 次成功着陆,这也让火星收获了「探测器坟场」的称号。

让我们祝福「天问一号」吧。

中国首辆火星车

如果顺利着陆,火星车就会从天问一号的着落器的肚子中释放出来,经过一个滑梯驶向火星,在这片红色大地上留下自己的痕迹。

这个火星车的外形和电影《机器人总动员》中的机器人瓦力有几分,方形的脸有两只方形的眼睛,还有展开的四片深蓝色太阳能电池板。

在动辄零下几十度的火星,这辆火星车一般在气温舒适的午后工作,同时储存电能。同时它还有面对威力地球 12 级台风台风强 6 倍沙尘暴。美国的火星车就曾因为沙尘暴而故障。

天问一号火星车设计寿命为 90 个火星日,但实际能服役多久不好说。比如设计寿命同样是 90 天的火星车机遇号,却因为沙尘暴吹开了太阳能电池板的尘埃得以继续工作。

最终机遇号在火星上工作了 15 年,以秒速 1 厘米在火星表面行驶了超过 45.16 公里,创下了火星车的行驶距离记录。

到火星上干什么

我们为什么要花费大量的人力物力将天问一号送上天?不只是为了证明我国的航天实力,还要进一步探索火星。

这次天问一号共携带了 13 台探测仪器,分别肩负着不同的任务。

其中轨道器的 7 台仪器,负责探测火星的地形地貌、岩石分布、气候变化。其余 6 台仪器则放在火星车上,探测火星地下土壤的成分和分布,并搜寻水冰信息。

这些探索将进一步为我们揭开火星的面纱,可能会给火星的演化过程、是否存在过生命等问题上给出更全面的答案。

人类探测火星 60 年,在失败中前进

人类对火星进行精密天文观测的历史可以追溯到 16 世纪, 丹麦天文学家布第谷·布拉赫在哥本哈根附近的汶岛建立西方首个大型天文观测基地,对火星等行星进行观测,后来普勒和伽利略望远镜等更精密的设备观测火星。

不过人类向火星发射探测器也要从 60 年前开始,1960 年苏联发射的首颗火星探测器就以失败告终。

据统计,目前为止人类一共 44 次向火星发起挑战,成功和部分成功的任务仅有 23 次,完全成功率只有 43%。而中国首颗火星探测器,也在 2011 年随着俄罗斯火箭发射的失败而折戟。

不过人类航天史的奇迹就在这样一次次失败中前进,就像 SpaceX 的座右铭:

大胆假设一个几乎不可能完成的目标,永不退缩、低头,跨过每一道阻碍。

马斯克计划在 2024 年将宇航员送上火星完成,并在 2050 年之前将 100 万人移民火星,最终让人类成为「多维星球物种」。

在这看似天方夜谭的设想,经过 SpaceX 一次次航天里程碑和各国航天技术不断突破后,已经从「不可能变为看起来可能,并在有生之年实现。」

▲ SpaceX 载人航天首飞.

到那时,我们会像科幻小说《火星编年史》作者雷·布雷德伯描绘的那样,我们在飞船上看着逐渐远离的地球:

整个地球也只不过是一颗沾染泥巴的棒球,被人投掷出去,愈飞愈远;此时,你开始感到孤寂,漫步在苍穹的绿茵中,朝向一个无从想象的地点前进。

而中国航天人未来的目标,正是这样的星辰大海,就像中国科学院院士所说欧阳自远的:

中国有能力飞得更远,我们也应该飞得更远。我们要探测整个太阳系,我们要向太阳系的星辰大海挺进,这就是我们的目的。

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