人类探索火星成功率只有42% 中国为什么还非要去?

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2020-07-23 18:39:36  环球时报

2020年7月23日中午12时41分,我国在海南文昌卫星发射中心,使用长征五号遥四火箭,将我国首颗火星探测器“天问一号”发射升空,随后,“天问一号”探测器顺利进入预定轨道,我国首次火星探测发射任务取得圆满成功!

接下来七个月里,“天问一号”将经过漫长的飞行,中途经历数次深空机动与中途修正抵达火星,最终目标是力争“一把过”,首次探测火星就“一步到位”实现火星“环绕、着陆、巡视”三大任务。

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  10年呕心沥血,26个月一次发射机会,7分钟定成败

据中国国家航天局探月与航天工程中心深空探测总体部部长耿言回忆,早在2010年8月,就有8位院士联名向国家建议,开展月球以远深空探测的综合论证,随后,国家国防科技工业局开始组织专家开展了发展规划和实施方案论证。2016年1月中国首次火星探测任务正式获得批准立项,任务目标是在2020年这个火星探测的“窗口期”,通过一次发射,完成火星环绕、着陆和巡视探测,达成国外几十年分多步实现的火星探测成就,迈出我国行星探测第一步,以高起点实现火星探测工程的“弯道超车”。

由于我国首次火星探测任务的目标是一步实现火星的环绕、着陆和巡视探测,组成我国首个火星探测器“天问一号”的轨道器、着陆器和火星车总重达到5吨左右,是我国迄今为止重量最重的探测器。在提出探测火星构想之时,我国运载能力最强的长征三号乙运载火箭地火转移轨道的运力也仅为两吨左右,这个运力远远无法满足我国的探火需求。因此,2006年获批立项研制的长征五号,因其超过5吨的地火转移轨道发射能力,成为探火唯一的选择。2016年11月3日,“十年磨一剑”的长征五号在文昌航天发射场首飞成功,那时,中国的首次火星探测任务才真正具备了前往火星的能力。

因为火星相对地球距离较为遥远,最远时超过4亿公里,最近时也有5500万公里,考虑到风险、成本等因素,探测器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼转移轨道”,采用这种轨道的航天器,从低轨道转移到高轨道过程中,途中只需两次发动机点火推进,相对而言更加节省燃料,被认为是效率最高的探火路径。然而该轨道每26个月才能出现一次,所以每隔26个月左右才能遇到一次探测火星的“窗口期”。之前,中国空间技术研究院技术顾问、中国科学院院士叶培建在接受媒体采访时曾表示,我们已经丢失了2013年的窗口,也失去了2015年的窗口,也不可能在2018年探测火星,绝对不能够再失去2020年的窗口。由于火星探测器发射窗口的特殊性,决定了任何一项工作的拖延都可能对整个发射任务造成不可估量的影响,因此,此次中国火星探测任务对探测器系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面应用系统各分系统都带来了极大的考验。

据了解,中国火星探测任务飞行过程包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测等六个阶段。其中离轨着陆被认为是技术难度最大,同时也是失败概率最高的一个阶段,在这个阶段探测器要经历入轨、下降与着陆过程。据中国航天科技集团有限公司科技委主任包为民院士介绍,火星探测器在飞向火星的途中一直处于高速飞行状态,所以在着陆之前,需要先将速度降下来。着陆巡视器从必须从每秒4.8公里的速度,到着陆的地方减到每秒0米,这个过程大约耗时7~8分钟,虽然时间短,却是整个任务的关键点,因为它的成功与否,直接决定着任务的成败。

  人类探火成功率约42%,为何我们非去不可

据公开数据统计,迄今为止,人类探火的完全成功率约为42%,这项成功率比难度极大的人类探月约53%的成功率还要低。纵观人类航天史,目前也仅有美国和前苏联两个国家成功实现登陆火星,其中美国的海盗1号和海盗2号火星探测器还是迄今为止唯一成功实现通过一次发射完成环绕探测和着陆探测的探测器。

然而,尽管探测火星是一项高风险的尝试,却依旧让传统航天大国,乃至非传统航天大国“趋之若鹜”, 自1996年以来,几乎每隔26个月的发射窗口都有火星探测器发射任务。而在2020年夏,就有三个国家的探测器会前往火星,分别是阿联酋的“希望”号火星探测器、美国“毅力号”火星车和中国“天问一号”火星探测器。

既然探测火星“胜算“不到一半,为何如此多的国家还甘愿不计代价“放手一搏”呢?

基于人类目前对于火星的认知,火星是离地球较近且环境最相似的星球,一直是人类走出地月系统开展深空探测的前站。在太阳系八大行星中,火星的物理性质和化学性质与地球最为相近。火星主要是由硅酸盐岩石构成,有类似地球的岩石地表,火星拥有高山、平原和峡谷等多种地形,南方充满陨石撞击的高地和峡谷,北方则多是被熔岩填平的平原,由于自转轴倾角和自转周期与地球相近,火星的昼夜长短及四季变化与地球也几乎一样。

在以往的探测中还发现,火星的表面似乎有液态水流过的痕迹,现有证据已表明有水冰存在于火星极地的冰盖中。水的发现,引发了人们对于火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球过去还是地球未来的思考和探索,研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义。此次中国首次火星探测任务,就将对火星的形貌与地质构造特征,火星表面物质组成,以及火星表面土壤特征与水冰分布展开研究。

此外,与和地球相类似的是,火星周围也有大气层。区别在于,火星大气层的主要成分是二氧化碳,但是人类可以通过技术手段对火星进行“改造“,从火星大气的二氧化碳中提取出氧气,这样不仅可以供人类呼吸,还能制成燃料。

而基于人类现有的航天能力,飞行时间8~10个月即可抵达火星,相比更远的行星和卫星,探索火星的任务周期更为合适。

因为火星与地球有着较为类似的环境和探火不超越人类技术能力的可行性,使得未来机器人或人类驻守火星成为可能。在载人登月之后,火星也被公认为是人类登陆行星的首选目标。

  挑战前所未有,如何确保万无一失

相较于之前“五战五捷”的月球探测,中国的火星探测任务难度更大。由于火星相对地球距离较为遥远,最远时超过4亿公里,最近时也有5500万公里,探测器需要在地火转移轨道上飞行近7个月,还将进行2至3个月的火星环绕飞行,所以对发射、轨道、控制、通信和电源等技术都提出了很高的要求。

在发射方面,为了将5吨重的探测器一举送入地火转移轨道,这就需要长征五号运载火箭飞出超过11.2千米/秒的第二宇宙速度。因为只有当航天器的速度达到每秒11.2千米的第二宇宙速度时,才能完全摆脱地球引力,去往太阳系内的其他天体。因此,第二宇宙速度也被称为“逃逸速度”。此前,中国的长征三号乙运载火箭托举嫦娥月球探测器进入地月转移轨道时飞出了超过10千米/秒的速度。而据长征五号火箭总设计师李东介绍称。“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,同时也飞出了我国运载火箭的最快速度”。

由于地球和火星之间的相对位置不断变化,发射火星探测器就像是在打一个“移动靶”,只有不断地调整发射轨道,才能确保“天问一号“探测器更加精确地入轨,在奔向火星的过程中节约自身燃料,因此,此次探火任务就对火箭的轨道设计提出了更高的要求。为了让“天问一号”更加精确地入轨,来自中国航天科技集团一院的研制团队创新性地进行了精细化的“窄窗口多轨道”设计,将14天窗口期内每一天30分钟的发射窗口细分成3个宽度10分钟的窗口,对应3条发射轨道,一共设计了42条发射轨道,创造了单次发射轨道设计数量的新纪录,将轨道偏差控制在非常小的范围内。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。这在中国航天的发射史上是绝无仅有的创举。

此外,为满足我国首次火星探测任务需求,先前,承担”天问一号“测控任务的西安卫星测控中心还对地面测控通信系统进行了适应性改造。据了解,“天问一号”火星探测器成功进入地火转移轨道后,西安卫星测控中心喀什深空站、佳木斯深空站将为其提供全程测控支持。相比探月任务,火星探测器最远有将近4亿公里的探测距离,还将在地火转移轨道飞行7个月的时间,这些对测控通信系统而言都将是前所未有的考验。为此,西安卫星测控中心重点对两个深空站的对频率综合系统、多功能数字基带、监视和控制系统设备软硬件进行升级,为执行相关任务提供更加稳定、强大的测控保障。

接下来,“天问一号”在经过数次深空机动与中途修正之后,预计在明年2月,就将到达火星的引力场范围内,然后通过制动被火星的引力场捕获,捕获成功之后就将进入火星的循环轨道,再经过多次的调整,就可以进行我国首次火星环绕探测了。

通过2到3个月的环绕飞行后,探测器将在着陆区上空对着陆区开展探测,并择机实施降轨机动,着陆巡视器将与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道,为着陆巡视器登陆火星地表的过程提供中继通信。着陆巡视器则将进入火星大气,经过一系列的动作之后,着陆于火星表面。着陆后,火星车将与着陆平台分离,并驶离着陆平台,开始开展火星地表巡视探测。可以说,“天问一号”未来前进的每一步都在迎接挑战,也在创造历史。

道阻且长,行则将至,惟其艰难,方显勇毅。祝“天问一号”一切顺利!

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