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中国行星探测迈出第一步 “天问”探火
文章类型:廉政新闻  文章来源:中国纪检监察报  更新时间:2020-07-24 09:46:03
2020年7月23日12时41分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空。  新华社记者 胡喆 摄
2020年7月23日12时41分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空。
新华社记者 胡喆 摄

图为“天问一号”探测器着陆后,火星车与着陆平台解锁分离,在火星表面开展科学探测的模拟图。  (中国航天科技集团五院供图)

图为“天问一号”探测器着陆后,火星车与着陆平台解锁分离,在火星表面开展科学探测的模拟图。
(中国航天科技集团五院供图)


 
图为“天问一号”探测器着陆后,火星车与着陆平台解锁分离,在火星表面开展科学探测的模拟图。

(中国航天科技集团五院供图)



  7月23日12时41分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务“天问一号”探测器,火箭飞行约2167秒后,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国行星探测第一步。

  “天问一号”将经过地火转移段、火星捕获段、离轨着陆段、中继通信段及科学探测段,飞行超过4亿公里,过五关斩六将,预计明年2月份最终抵达火星并开展科学探测任务。如果顺利实施,我国将一次性实现火星环绕、着陆和巡视探测“三步走”,完成前无古人的创举。

  艰深“探火”路


  据中国航天科技集团五院深空探测领域专家介绍,“天问一号”火星探测器由该院抓总研制,分为环绕器与着陆巡视器两部分,其中着陆巡视器又由进入舱和火星车组成。进入舱完成火星进入、下降和着陆任务,火星车配置6种科学载荷,在着陆区开展巡视探测。

  探测器在地火转移轨道上经历约7个月的飞行,在地面测控系统的支持下,经过4次中途修正和1次深空机动修正飞行路径,逐渐飞近火星,在近火点实施制动,被火星捕获,成为火星的人造卫星。

  火星捕获是火星探测任务中技术风险最高、最为关键的环节之一,在火星探测器从地球飞向火星的过程中,能够被火星引力所捕获形成环绕轨道的机会只有一次。

  据五院深空探测领域专家介绍,此时探测器相对于火星的速度约为4-5千米/秒。就像两辆高速行驶的汽车,只有前进方向一致、相对速度为零时,才能并驾齐驱。因此,探测器在接近火星后,必须把握住唯一的机会,利用自身携带的推进剂点火减速,最终实现被火星的捕获。

  我国本次火星探测任务捕获时,探测器距离火星最近仅400千米,稍有偏差就会撞击火星或飞离,因此,捕获的成败就成为了火星探测任务成败的关键。

  探测器进入火星捕获轨道后,经过轨道调整进入停泊轨道并运行约75天,完成着陆巡视器预选落区的预探测和进入点位置调整动作。在确认满足着陆条件要求后,将进行降轨控制,着陆巡视器与环绕器分离。分离结束后,着陆巡视器进行火星大气进入段的飞行,火星环绕器则进行升轨机动,返回到停泊轨道,下一步进入中继轨道。

  着陆巡视器在进入、下降与着陆过程中,要在数分钟内将时速从近2万千米降低到零,也就是著名的“恐怖7分钟”。这过程中电磁信号是完全被屏蔽掉的,要完全依靠着陆器的自身本事。中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟表示,这需要融合多种减速手段才能实现,包括气动外形、降落伞和反推等,也需要自主导航控制技术来保证。

  全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩说,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”。

  着陆巡视器在火星落脚之后,想要顺利开展工作也并非易事。庞之浩表示,火星上的沙尘暴很大,是地球上12级台风造成影响的6倍,这些飞沙会覆盖火星车的太阳能电池板,致使其无法正常工作。历史上,美国第一代和第二代火星车都是受沙尘暴影响而停止工作的。

  “这就需要充分提高能源的利用率,包括高效太阳能电池技术及高效蓄电池技术,提高能源系统功率质量比。”庞之浩说。国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰介绍,火星车比“玉兔”多一对电池板,可以根据太阳光调整帆板角度,能源转换效率更高。

  据悉,火星车设计寿命3个火星月,相当于92个地球日,其间环绕器在中继轨道为火星车提供通讯支持,并开展科学探测。火星车工作结束后,环绕器将进入科学探测轨道,并在该轨道上继续运行1个火星年,执行火星全球遥感探测任务。

  唯有“胖五”


  此次长征五号遥四火箭成功将“天问一号”送入预定轨道,是长征五号系列运载火箭的第五次发射任务,也是首次执行应用性发射任务。此前,长征五号遥三和长征五号B遥一火箭连续发射成功,标志着长征五号火箭关键技术瓶颈已经完全攻克,火箭各系统的正确性、协调性得到了充分验证,火箭可靠性水平进一步提升。

  “此次执行应用性发射任务,意味着长征五号火箭正式开始‘服役’,进入工程应用阶段”,航天科技集团一院长征五号火箭总指挥王珏说。

  长征五号运载火箭芯级直径达5米,捆绑4个3.35米助推器,肩负着我国火星探测工程、探月三期工程和载人空间站工程等大型载荷和深空探测任务载荷的发射任务。

  “此次发射火星探测器,是长征五号火箭第一次达到并超过第二宇宙速度,飞出了我国运载火箭的最快速度”,航天科技集团一院长征五号火箭总设计师李东介绍。根据发射任务要求,长征五号遥四火箭将托举“天问一号”火星探测器加速到超过11.2千米/秒的“逃逸速度”,将探测器送入地火转移轨道,开启奔向火星的旅程。

  此次发射的“天问一号”火星探测器重量接近5吨,比“嫦娥四号”月球探测器重了一吨多,是目前我国发射的重量最重的深空探测器。最大的重量、最快的速度,对火箭运载能力提出极高要求。

  “依靠长征五号火箭强大的运载能力,我国行星探测之旅将站在一个新的起点,通过一次发射,实现对火星的‘绕、落、巡’三项目标,是起点很高、‘含金量’十足的‘第一次’,将使我国深空探测的脚步从月球迈向行星,正式开启行星探测时代”。航天科技集团一院党委书记、长征五号火箭第一总指挥李明华介绍道。

  对于一般的发射任务,一个发射窗口只需要设计一条火箭发射轨道。由于地球、火星与太阳的位置时刻都在变化,长征五号火箭在窗口期内不同时刻的发射轨道也会有所差别,相当于打“移动靶”。

  “为了让探测器更精确的入轨,对火箭发射轨道进行了精细化的‘窄窗口多轨道’设计,将每天30分钟的窗口细分成3段,分别设计轨道,火箭根据发射时间自动选择一条轨道。在整个窗口期内一共设计了42条不同的发射轨道”,李东介绍道。这在中国航天的发射历史上是绝无仅有的,创造了单次发射轨道设计数量的新纪录。

  “这次发射还首次实现了发射轨道的自动切换,火箭可自动比对时间,自动切换轨道。”航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师娄路亮说。

  火星探测器的发射窗口,每26个月才出现一次,对于长征五号遥四火箭的发射,面前只有成功这一个选项。

  长五的飞行时序动作达到2200多个,箭上设备数千台,元器件数十万件,是我国现有火箭中最复杂的,要确保任务完成,每次发射都面临着巨大的压力和挑战。相较于前几次发射,这次发射窗口期也是最短的,海南七八月份天气最热,尤其是在中午发射时间气温最高,给低温火箭带来“冰火两重天”的严峻考验。

  长五B火箭今年5月5日首飞成功后,距离长五遥四火箭发射火星探测器只有两个多月,这意味着,发射平台和地面支持系统的恢复时间要在原来已缩减基础上再压缩30%以上。

  5月的海南,平均气温高达32℃,湿度在80%以上。地面设备恢复作业在没有任何遮挡的户外进行,队员们衣服早已被汗水湿透,没有人顾得上酷暑,都在争分夺秒和时间赛跑。所有的团队,都在以这种顾全大局、全力以赴的状态工作。

  “今年航天日前夕,习近平总书记给参与‘东方红一号’任务的老科学家回信,勉励新时代航天工作者敢于战胜一切艰难险阻,勇于攀登航天科技高峰。长征五号研制团队就是这样不畏艰难的队伍,团队中的每一个人都是真正的强者。”李明华说。

  航天大国“竞技场”


  作为离地球较近且环境最相似的星球,火星一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。以往的探测发现了存在水的证据,火星上是否存在孕育生命的条件?火星是地球的过去还是地球的未来?这些成为火星研究的重大科学问题。研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。

  火星是处于太阳系宜居带内的类地行星,被认为是“准宜居”的行星。“为了人类社会的可持续发展,火星可否改造成为适宜人类居住的绿色星球?……只有这些重大科学问题被一一解答,我们才能清晰地思考地球和人类的未来。”中国科学院院士欧阳自远曾这样评价火星探测的意义。

  基于现有航天能力,“奔火”飞行7个月左右即可到达,相比更远的行星和卫星,任务周期较合适;火星与地球有最接近的环境,使得机器人或人类进驻火星成为可能。

  然而,探测火星也是人类太空飞行中最具挑战性的壮举之一。有数据显示,自1960年到今年7月初,人类已实施火星探测活动达44次,但成功和部分成功的任务仅有24次,其中着陆任务17次,成功仅8次。在业界,火星被称为“探测器坟场”,其探测难度可想而知。

  “在国际竞争日趋激烈的今天,火星探测已成为目前及未来很长一段时期国际航天大国竞争的主要‘竞技场’。”张伟说。

  国际火星探测始于20世纪60年代,90年代迎来又一高潮,相关科研任务进行得如火如荼,“探火”大军日益壮大。截至目前,已实施的火星探测任务中,其中美国20余次,已有4架探测器登陆火星,第5架火星车“毅力号”蓄势待发。苏联/俄罗斯紧随其后,日本、欧空局和印度也分别进行过“探火”任务,阿联酋在今年7月也发射了火星探测器。

  在中国航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、中国科学院院士叶培建看来,我国首次火星探测任务实为“弯道超车”。我国于2010年开展月球以远深空探测发展规划和实施方案论证,经过三轮迭代和深化,于2016年正式立项实施火星探测。我国首次火星探测任务起步虽晚,但起点高、跨越大,从立项伊始就瞄准当前世界先进水平确定任务目标,明确提出在国际上首次通过一次发射,完成“绕、落、巡”三大任务。如果这一目标能够顺利实现,我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家,意味着中国一次走完了此前苏联和美国用几十年走过的历程。

  一举多得的背后,是复杂的技术和较高的风险,国际上也鲜有先例。美国海盗1号、海盗2号火星探测器曾通过一次发射实现了环绕、着陆两种探测目标;欧洲也曾进行过类似的尝试,但并未成功,只实现了“一举一得”。

  我国想要在首次火星探测任务中就克服这一艰难过程,并让火星车在“火”面持续工作3个月,所面临的挑战亦如可能获得的成就一样,都是前所未有的。但是,中国的航天精神有这么几句话:“自力更生,艰苦奋斗,大力协同,无私奉献,严谨务实,勇于攀登。”“天问一号”火星探测任务不仅对推动我国突破深空探测基础关键技术具有巨大作用,同时也使我国实现了由月球探测到火星探测的巨大科技跨越,对于进一步推动我国航天技术发展、带动我国基础领域、高新领域及前沿领域的科技进步具有深远意义。

  美国《科学》杂志近日发表文章称,“天问一号”是中国行星探测的首次任务,也将是中国航天走向更远深空的里程碑工程。

  除“天问一号”任务外,按照计划,长征五号遥五火箭也将在今年实施发射,将“嫦娥五号”探测器送入地月转移轨道,完成我国首次月球采样返回任务。将来我国还会建立属于自己的近地载人空间站,预计在2030年前后或实施火星采样返回、小行星探测、木星系等探测。对宇宙的探索充满着很多未知危险,我们的探索脚步将永不停息!(本报记者 刘廷飞)

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