天問(wèn)一號(hào):在探火路上來(lái)一次“后發(fā)先至”
實(shí)習(xí)記者 于紫月
今年7月,火星探測(cè)迎來(lái)發(fā)射“窗口期”,一旦錯(cuò)過(guò),就要等待近26個(gè)月。隨著這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的臨近,籌劃了多年的中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)項(xiàng)目,也終于有了自己的名字——“天問(wèn)一號(hào)”,中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)則被命名為“天問(wèn)(Tianwen)系列”。
我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)計(jì)劃于7月?lián)駲C(jī)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院火星探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師賈陽(yáng)此前表示,此次探測(cè)任務(wù)目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射,實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)目標(biāo),開(kāi)展對(duì)火星全球性和綜合性的探測(cè),并對(duì)火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行精細(xì)巡視勘察。
一舉多得
少花錢(qián)多辦事
縱觀人類航天史,人們似乎對(duì)火星“情有獨(dú)鐘”,截至目前,全球共有40余次火星探測(cè)活動(dòng),這是為何?
中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)給出了答案:“火星是太陽(yáng)系內(nèi)與地球特點(diǎn)最為接近的行星,是人類未來(lái)移民的首選地。”
毋庸置疑,人類“第二家園”這一誘惑實(shí)在太大。“火星過(guò)去可能擁有過(guò)適合地球生命生存的環(huán)境條件。”張偉表示,研究火星地質(zhì)、表面成分的長(zhǎng)期演變過(guò)程,巖石和空氣、水的相互作用等,將有助于我們理解火星生命可能存在和消失的原因,進(jìn)而分析和預(yù)測(cè)地球的未來(lái)。
張偉介紹,人類探測(cè)火星的方式通常包括環(huán)繞、著陸、巡視、采樣返回、載人登陸探測(cè)等。今年“天問(wèn)一號(hào)”一次發(fā)射同時(shí)要完成環(huán)繞、著陸、巡視3種探測(cè)目標(biāo),實(shí)屬“少花錢(qián),多辦事”。
一舉多得的背后,是復(fù)雜的技術(shù)和較高的風(fēng)險(xiǎn),國(guó)際上也鮮有先例。美國(guó)海盜1號(hào)、海盜2號(hào)火星探測(cè)器曾通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞、著陸兩種探測(cè)目標(biāo);歐洲也曾進(jìn)行過(guò)類似的嘗試,但并未成功,只實(shí)現(xiàn)了“一舉一得”。
在中國(guó)航天科技集團(tuán)五院深空探測(cè)和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士葉培建看來(lái),我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)實(shí)為“彎道超車(chē)”。他在接受媒體采訪時(shí)曾表示,我們?nèi)粝雽?shí)現(xiàn)超越,需要利用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)“兩步并成一步走”。事實(shí)上,我國(guó)很早就開(kāi)展了相關(guān)研究。此次我國(guó)火星探測(cè)環(huán)繞、著陸、巡視計(jì)劃如果能夠一步完成,這一跨越式方案將成為全球首次。
多方合力
備戰(zhàn)探火“大考”
正如葉培建院士所言,我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃籌謀已久。
“2010年8月,8位院士聯(lián)名向國(guó)家建議,開(kāi)展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證,國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局立即組織專家開(kāi)展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證。”中國(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言曾撰文寫(xiě)道,首次火星探測(cè)是深空探測(cè)的起點(diǎn)和重點(diǎn),實(shí)施方案經(jīng)過(guò)三輪迭代和深化,于2016年1月正式立項(xiàng)實(shí)施。
從此,一場(chǎng)瞄準(zhǔn)火星的深空探測(cè)大戲正式拉開(kāi)帷幕。
首次火星探測(cè)任務(wù)由工程總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用5大系統(tǒng)組成。其中,探測(cè)器、運(yùn)載火箭均由中國(guó)航天科技集團(tuán)抓總研制。
2017年9月,第三屆北京月球與深空探測(cè)國(guó)際論壇傳來(lái)消息,我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的相關(guān)載荷已經(jīng)基本確定,涉及空間環(huán)境探測(cè)、火星表面探測(cè)、火星表層結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域。
此次任務(wù)所采用的長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭也已做好了充足準(zhǔn)備。2020年1月,長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成了總裝出廠前的最后一項(xiàng)驗(yàn)證,標(biāo)志著這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到預(yù)定要求,即將轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。
針對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控系統(tǒng),是一種基于現(xiàn)有的航天測(cè)控網(wǎng)和深空測(cè)控網(wǎng),包括北京航天飛行控制中心、佳木斯66米口徑天線測(cè)控站等,對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、軌道測(cè)量、飛行控制、在軌管理和應(yīng)急處置等的系統(tǒng)。2020年3月,北京航天飛行控制中心完成火星探測(cè)任務(wù)無(wú)線聯(lián)試,充分驗(yàn)證了探測(cè)器與地面系統(tǒng)的接口匹配性和一致性,對(duì)各類方案、技術(shù)狀態(tài)、軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)試,為任務(wù)順利開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)也正積極備戰(zhàn)中。2020年5月5日,長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首次飛行任務(wù)發(fā)射場(chǎng)區(qū)指揮部指揮長(zhǎng)張學(xué)宇表示,中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)具備了高密度發(fā)射實(shí)戰(zhàn)能力、高中低軌空間投送能力和任務(wù)并行測(cè)試發(fā)射能力。當(dāng)前,發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)將持續(xù)做好火星探測(cè)、嫦娥五號(hào)以及后續(xù)空間站建設(shè)階段飛行任務(wù)等重大航天發(fā)射任務(wù)的組織實(shí)施,堅(jiān)決奪取疫情防控和航天發(fā)射任務(wù)“雙勝利”。
地面應(yīng)用系統(tǒng)整體吊裝完成,備受矚目。2020年4月25日,由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)承建的首次火星探測(cè)工程地面應(yīng)用系統(tǒng),在天津成功實(shí)施完成70米天線反射體的整體吊裝,中國(guó)首次火星探測(cè)工程副總設(shè)計(jì)師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來(lái)表示,70米天線今年10月能完全具備火星探測(cè)的數(shù)據(jù)接收能力。
目前,探測(cè)任務(wù)計(jì)劃正在有條不紊地進(jìn)行,相關(guān)工作人員正加班加點(diǎn),為即將到來(lái)的“大考”做準(zhǔn)備。
難點(diǎn)眾多
挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存
根據(jù)火星與地球的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,再結(jié)合實(shí)際,考慮到當(dāng)前運(yùn)載火箭的能力,就會(huì)發(fā)現(xiàn)每隔26個(gè)月才有一次有利的火星探測(cè)器的發(fā)射機(jī)會(huì)。
今年是全球火星探測(cè)的爆發(fā)期。據(jù)了解美國(guó)、阿聯(lián)酋也計(jì)劃于今年發(fā)射探測(cè)器,而此前同樣有此計(jì)劃的歐俄聯(lián)合火星探測(cè)任務(wù)因疫情等原因推遲到2022年。
據(jù)統(tǒng)計(jì),至今全球火星探測(cè)成功率大約為40%,原因在于火星探測(cè)工程難點(diǎn)眾多。
張偉表示,火星探測(cè)最大的難點(diǎn)在于“恐怖7分鐘”——在進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中,要在7分鐘內(nèi)將探測(cè)器的時(shí)速?gòu)?萬(wàn)千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實(shí)現(xiàn),包括氣動(dòng)外形、降落傘和反推等,也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來(lái)保證。
“再者,探測(cè)器從地球飛往火星需要200余天,漫漫長(zhǎng)路需要有可靠的通信。”張偉告訴科技日?qǐng)?bào)記者,除此之外,在一定體積和重量約束的前提下,火星探測(cè)器還要充分提高能源的利用率,包括高效多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)、高效蓄電池技術(shù),以及能量密度高、壽命長(zhǎng)的核電源等。
由此看來(lái),此次我國(guó)同時(shí)開(kāi)展“繞”“落”“巡”探測(cè)目標(biāo),其難度之高不言而喻。這不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)的底氣,源自我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展,源自無(wú)數(shù)航天科技工作者的不懈努力!
責(zé)任編輯:趙睿
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