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    为了去火星,你知道天问一号有多努力吗?

    2020-05-07  lindan9997

      即将在7月启程的中国火星探测任务,在前不久的第五届中国航天日(2020年4月24日)上,终于明确了任务名称——天问一号。

      这一天也是我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射50周年纪念日,格外有“传承”的使命感。

      迈向行星的“天问”系列

      “天问”来自中国伟大诗人屈原的长诗《天问》。在这首诗里,两千多年前的屈原同学化身好奇宝宝,对天地万物发起了一连串“灵魂拷问”。尤其是“日月安属,列星安陈”这样的求知渴望,正对应着两千多年后的中国“走出”地球,探索遥远行星世界的坚定决心。

      “中国将行星探测任务命名为天问系列” | 央视新闻

      是的,意思就是说…… “天问”系列并不仅仅是中国火星任务的名称,而是中国接下来行星探测任务共有的名称。

      “天问一号”标识 | 人民日报

      一个系列包含多个行星探测任务,这种命名方式早有先例。

      NASA的先驱者号系列(Pioneer program),用多发探测器在 1958~1978年间探索了月球、金星、木星、土星和空间环境。

      先驱者号系列中的4种探测任务构型:(从左到右)先驱者A–E号、先驱者10/11号、先驱者金星1号(先驱者12号)和先驱者金星2号(先驱者13号) | NASA

      更有名的当属NASA的水手号系列(Mariner program),用10次探测任务在1962~1973年短短11年时间里探测了火星、金星和水星,完成了数个人类深空探测史上的“第一次”。

      水手10号 | NASA

      再算上探访了外太阳系全部4颗行星的水手11和12号(也就是大名鼎鼎的旅行者1号和2号),可以说是一个系列囊括了整个太阳系。

      旅行者1号和2号 | NASA

      从这个角度来说,“天问”系列的目标是建立起我国自己的“行星舰队”,目标不可谓之不大。

      只不过,想到20年后孩子们的考试题……

      为下一代感到头秃…

      三大任务:绕落巡

      天问一号将是我国自主发射的第一颗火星任务(遗憾失败的萤火一号是借俄罗斯火箭发射的),不同于之前“轻骑兵”模式的萤火一号,天问一号将是绝对的重磅出击——利用1次发射完成“环绕”、“着陆”、“巡视”火星这3大任务,也就是所谓的“绕落巡”。

      央视新闻

      环绕通常通过环绕器(轨道器)来完成,例如目前在轨的NASA火星勘测轨道飞行器(MRO),就在一圈一圈环绕着火星的过程中展开各项探测。而中国的天问一号也会包含1个环绕器,完成至少1年的环火星探测。

      NASA MRO轨道器(左)和中国天问一号轨道器(右)示意图 | NASA、CNSA

      稍提一句,其实着陆任务也可以根据需要先环绕飞行一段时间,然后选择合适的时机着陆,例如中国的嫦娥三号、四号着陆任务虽没有携带轨道器,但着陆器带着月球车在着陆月球之前也环绕了月球数圈。

      着陆可以通过着陆器或者巡视器来完成,两者的主要区别就是着陆器不能动,而巡视器可以自由移动。我们熟悉的嫦娥三号着陆器+玉兔号月球车,嫦娥四号+玉兔二号月球车,就是着陆器+巡视器组合。

      2019年1月11日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车两器互拍。来源:中国探月工程

      也就是说,着陆器只可以完成着陆,而巡视器则可以完成着陆+巡视两项任务。

      而本次天问一号则将通过一个着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务。着陆巡视组合体包含进入舱(着陆架)和火星车两部分,进入舱负责着陆,而火星车负责科学探测。

      着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测。(啥?为啥喷火是蓝色的?不要在意这些细节 )| CCTV

      为了完成这样高难度的目标,我们已经做了许多准备。

      长征五号:终于等到你

      想要一次把3个大家伙运上火星,首先必须解决的难题就是运输工具——火箭。要知道,相比于40万公里外的月球,火星可遥远得多得多。

      火星和地球都是环绕太阳的行星,这意味着,两者的距离会不断变化:地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约4亿公里,而位于太阳同侧最近时也有5460万公里远。

      图源NASA

      也就是说,即使是火星最近的时候,也有月球的150倍远。

      最近时火星和地球的距离相比于地月距离的比例。改编自:James O'Donoghue/NASA

      不过,直线距离的对比,对我们理解火箭的发射难度其实并没有直接的意义,因为不管是去月球还是去火星,探测器都不是直线飞过去的 ,而是通过火箭的运力把探测器送入一个大椭圆轨道,让探测器飞着飞着自然而然和火星“相遇”——这就是传说中的“霍曼转移轨道”。

      从地球到火星的霍曼转移轨道,这样的发射窗口每26个月一次。凡是跟你们说火星发射窗口是地球和火星距离最近的时候的,有一个算一个都是错的。改编自:NASA

      之所以选择这样的方式飞往火星,完全是因为对我们可怜弱小又无助的地球人来说,相比于珍贵的火箭燃料,时间可以说是极其廉价——为了尽可能节省燃料,在路上花上个一年半载根本不是事儿。

      尽管路程不等于直线距离,但去往更遥远的火星,依然需要我们有更强大的火箭。

      以前年发射嫦娥四号的长征三号乙火箭为例,这枚火箭的地月转移轨道运力近4吨,把总质量3780公斤的嫦娥四号着陆器+玉兔二号月球车直接送入地月转移轨道已经是极限。如果让这枚火箭发射火星探测器,换算成地火转移轨道运力就只剩2吨多了——去往火星之于去往月球,运输能力打了7折。

      更要命的是,相比于只有着陆器和巡视器的嫦娥四号任务,需要一次性完成绕落巡使命的天问一号三件套总重约5吨,比嫦娥四号两件套还重了1吨。

      也就是说,不管是天问一号去往火星,还是比嫦娥四号更重的嫦娥五号任务去往月球,我们都必须等待运输能力更强大的火箭研制完成,那就是——长征五号。

      不不,不是昨天发的长五B,那是打近地轨道哒。改编自:CNSA

      江湖人称“胖五”的长征五号火箭,经历过真正的至暗时刻。

      2016年11月3日,长征五号遥一火箭虽然二级出了些状况,但还算顺利完成任务,将实践十七号卫星送入地球静止轨道。

      2017年7月2日,长征五号遥二火箭发射失败,带着实践十八号卫星一同葬身太平洋,也直接导致原计划2017年11月发射的嫦娥五号月球采样返回任务延期。

      之后,就是在黑暗中漫长的摸索,寻找故障原因,不断测试和验证。

      908个日日夜夜,这黑暗如此漫长。

      直到2019年12月27日,长征五号遥三运载火箭成功将实践二十号卫星送入预定轨道。历经坎坷,王者归来。

      长征五号遥三发射升空。这份沉甸甸的成功背后,是无数航天工作者们两年多的呕心沥血,是无数中华儿女的坚韧和拼搏 | 我们的太空 史悦 吕炳宏

      2020年1月19日,长征五号遥四火箭的氢氧发动机完成了总装出厂前的最后一项验证:100秒校准试车——标志着这台发动机性能达到预定要求,即将转入火箭总装阶段。

      长征五号遥四,就是负责发射天问一号的火箭。

      来源:中国航天科技集团

      至此,天问一号才终于得到出发的保障,确定可以赶上2020年7月这次火星发射窗口。

      目前公开的中国火星探测器实拍照片 | 中国航天科技集团

      测控和数传:4亿公里外的讯息传递

      解决了如何让5吨重的天问一号探测器“上天赴火”的难题,才仅仅是个开头。

      火星最远时距离地球4亿公里,是地月距离的1000倍。从这个角度来说,月球简直可以说是“近在咫尺”。

      而距离越远,不仅信号传输时间越长,更重要的是信号衰减也越剧烈。相比于月球,遥远的火星显然为地球与探测器之间的通讯带来了更大的挑战。

      与火箭和探测器保持通讯,或者说“测控和数传”,可以拆分为三个方面的问题:1)跟踪(火箭、探测器的)位置和速度;(2)向探测器发送指令;(3)接收探测器传回的探测数据。

      而这三个方面都需要强大的地面站,或者说数目更多、分布更广、口径更大的地面天线,这不是一朝一夕可以完成的。

      事实上,中国从嫦娥任务开始就已经在一步一个脚印地组建深空测控和地面接收网了。

      2011年,佳木斯66米喀什35米天线基本建成, 同年11月就投入了嫦娥二号任务飞掠小行星图塔蒂斯等后续拓展任务的S频段测控支持,之后最远跟踪嫦娥二号至约1亿公里才失联。

      佳木斯深空站(北纬46°2937, 东经130°4612)66米天线和喀什深空站(北纬38°2634.7, 东经76°4340.3)35米天线 | 参考文献 [3]

      2013年,佳木斯深空站和喀什深空站正式建成并投入使用,同年12月正式加入嫦娥三号任务的测控工作,首次利用X频段完成了嫦娥三号地月转移、环月、动力下降和月面工作各阶段的测控工作。两处测控站至今仍在为嫦娥三号着陆器提供各项测控支持。

      没想到吧,虽然玉兔号早已停止工作,但嫦娥三号依然坚挺。2019年12月7日,嫦娥三号着陆器成功唤醒,开启了第75个月昼的工作。| CNSA

      2017年底,阿根廷35米天线深空站建成,不久就在2018年5月发射的嫦娥四号中继星鹊桥任务中正式投入使用。在这次任务中,阿根廷、佳木斯和喀什站共同为鹊桥中继星提供了S频段测控支持,这也是3个测控站首次完成全网协作。

      阿根廷深空站(南纬38°11′28.90″, 西经70°8′58.20″)35米天线及附近地形 | 参考文献 [3]

      至此,中国已经初步组建了自己的深空测控网。

      全球主要深空测控设施分布。截止目前,我国深空测控网由中国中国西北部喀什地区35米深空站、中国东北部佳木斯地区66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站组成 | 参考文献 [3]

      2018年12月,嫦娥四号发射,佳木斯、喀什、阿根廷3站为嫦娥四号的飞行、着陆、月背工作提供了X与S频段测控通信支持,全面验证了中国的深空测控能力。

      嫦娥四号任务的月背通讯 | 参考文献[3]

      在此基础上,为了火星和接下来更远的深空探测任务,中国还在继续强化测控网的建设,向着更大、更多、更广的目标迈进。

      2019年10月底,西安卫星测控中心位于喀什的3台35米天线完成吊装。多个天线可以单独工作,也可以组成天线阵列,达到更大口径天线的效果。

      喀什新天线的吊装 | 我们的太空

      另一边,在探测数据的接收方面,除了之前已有的密云40米和50米、昆明40米等天线之外,2020年4月25日,中国科学院国家天文台在天津武清的70米天线(GRAS-4)吊装成功,预计到2020年10月投入使用,可以在天问一号抵达火星之后加入数据接收工作。

      来源:人民日报

      任探测器飞得再远,都能“抓得住”,“收得到”,这是我们迈向星辰大海的前提和保障。

      着陆火星:挑战“探测器坟场”

      即使顺利飞到火星附近,地面站也没和探测器失联,对于一个着陆任务来说,其实才只成功了一半。

      这一点也没有夸张。从1960年人类第一次尝试发射火星探测器至今,一共有15次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有8次任务成功着陆并顺利开展探测工作——近一半的失败率让这颗红色星球至今还保有“探测器坟场”的称号。

      截止2020火星发射窗口之前的火星着陆版图,括号里的是抵达年份。数据来源:MOLA,制图:haibaraemily

      着陆火星比着陆月球要危险得多,这很大程度上要怪火星有大气层。尽管火星大气层很稀薄,表面大气压只有地球的6%,但也足以形成一个“屏障”,让毫无防备的探测器“未达火星先烧坏”了。

      但也不是说火星大气没有一点好处,事实上,火星大气的存在让着陆器任务有了利用大气摩擦减速和使用降落伞减速的空间,这些都能缓解之后使用反冲火箭减速的压力。

      总之,相比于简单直接的月球着陆任务,火星着陆任务多了很多复杂的步骤。例如着陆组件得先被塞进一个隔热盾里?;て鹄?,降落伞要能打得开撑得住,减速到一定程度隔热盾还要打得开抛得掉…… 而这些都得靠探测器自主判断和完成。

      更复杂,也往往意味着更多不确定性。任何一个操作环节出现问题,都可能会让探测器无法成功着陆。这对于第一次尝试着陆火星的中国来说,显然有太多太多巨大的挑战。

      例如降落伞,叶培健院士就表示要“反反复复抓降落伞”。欧空局和俄宇航的ExoMars 2020任务,很大程度上就是因为降落伞不过关,而退出本届火星赛季的。

      来源:央广网、新华网

      例如着陆器如何完成最后阶段的悬停、避障和下降操作。2019年11月14日,模拟火星重力环境下的天问一号着陆器悬停避障试验在河北怀来完成。

      当然,还有一点不能不提的,是嫦娥工程的技术积累。从2007年到2018年,嫦娥一号到四号通过四次任务逐步实现了月球的环绕、着陆和巡视,这其中积累的实战经验和科学技术人才,是中国火星任务和接下来深空任务最宝贵的财富。

      来源:探月工程数据发布与信息服务系统

      探索火星,注定是一条充满挑战的荆棘之路,但也是中国想要迈向行星,去往更远的星球所必须拿下的起点。

      天问一号,加油!

      参考文献:

      [1] NASA | Mars in a Minute: How Do You Get to Mars?https://www.jpl.nasa.gov/edu/learn/video/mars-in-a-minute-how-do-you-get-to-mars/

      [2] 耿言,周继时,李莎,等. 我国首次火星探测任务[J]. 深空探测学报,2018,5(5):399-405.

      [3] 吴伟仁, 李海涛, 李赞, 等. 中国深空测控网现状与展望. 中国科学: 信息科学, 2020, 50: 87–108, doi: 10.1360/ SSI-2019-0242

      [4] 我们的太空-祝贺“嫦娥三号”出道六周年

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