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中国首次火星之旅

作者:佚名 来源:科学之友 202009期 时间:2020-10-18

火星,这颗赤色星球,古往今来都充盈着迷人色彩。它是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。从1961年至今,人类已实...

  火星,这颗赤色星球,古往今来都充盈着迷人色彩。它是太阳系中距离地球较近、自然环境与地球最为类似的行星之一,一直以来都是人类深空探测的热点。从1961年至今,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一共仅有22次。火星距离地球的最远距离为4亿千米,最近距离为5 500万千米。由于地球和火星的公转周期不同,两个行星大约每两年“相遇”一次,即地球与火星之间的距离较近。在“相遇”期间,从地球上发射火星探测器可以缩短抵达火星耗时,节省燃料,从而降低“探火”成本。

  2020年7-8月迎来了两年一次的“火星发射窗口期”。这一次,中国来了。

火星,地球的前世还是未来

  不满足于地球的怀抱,人类将目光投向更深远的太空。

  在太阳系,火星的自然环境与地球最为接近,两者几乎都形成于约45亿年前,组成结构也大致相同,有核、幔、壳。

  火星与地球有着相似的自转周期,一个火星日大约是24小时39分钟,而且它还和地球一样,也有四季更迭。但是,从人类目前掌握的有限情况看,两者之间又有着显而易见的不同:从外形上看,火星个头更小,它的半径约为地球的1/2,体积约为地球的1/7。

  与我们这个有71%海洋覆盖率的蓝色星球不同,火星表面呈现出红色,在它最明亮的时候犹如一团火球。实际上,这一红色并不是真正的火焰,火星上的温度反而极低,接近于地球的南极。呈现红色的原因,是火星的土壤富含氧化铁,就像是土地生了锈。这种土壤的形成,是风与水双重侵蚀作用产生的。由此可见,火星上曾经存在过大量的水和大气。

  时空流转,这颗与地球同龄的星球,表面怎么变成如此荒漠般模样?火星是我们的过往,还是地球未来的归宿?或许,它亦可成为人类改造的对象,在若干年后成为一个宜居的地外家园?所有的问题,只有等到我们“身临其境”后才能一步步得到解答。

  万众期待中,中国开启了首次火星探测之旅。

“天问一号”,向火星“发问”

  “圜则九重,孰营度之?”屈原曾发出嗟叹。而今,“天问一号”将勇敢作答。

  2020年7月23日12时41分,中国首个火星探测任务“天问一号”探测器在中国文昌航天发射场由长征五号遥四运载火箭成功发射。

  “天问一号”此次探路的主要任务包括:

  1.采集影像资料;

  2.测物质,测元素,如火星表面有什么物质,物质的构成成分是什么;

  3.测环境;

  4.看火星内部,如浅层的地质结构、地底分层结构等;

  5.看火星气象,如沙尘暴、温度变化等。

  此次探路还将一次性完成“绕”“落”“巡”三大任务,即轨道器环绕火星、着陆器登陆火星、火星车巡视表面。如果完成任务,這将是全世界首次在一次任务中完成三个目标。

  作为中国首次火星探测任务的“主角”,“天问一号”在结构和性能上有着自己的风格:它由环绕器和着陆巡视器组成,着陆巡视器又分为进入舱和火星车。当“天问一号”运行到选定的进入窗口后,探测器进行降轨控制,释放着陆巡视器,环绕器则进行升轨控制,进入中继通信轨道,为火星车提供中继通信链路,并开展环绕科学探测。

  2020年8月2日,“天问一号”探测器3 000 N发动机开机工作20秒钟,顺利完成第一次轨道中途修正,继续飞向火星。后续,“天问一号”探测器还将经历深空机动和数次中途修正,奔火飞行6个多月后抵达火星附近,通过制动被火星引力捕获进入环火轨道,开展着陆火星的准备和科学探测等工作。

从“三环”到“四环”,跨越的是4亿千米

  在太阳系里,八大行星以太阳为核心公转,形成了八个环形轨道,其中地球位于“三环”,火星则在“四环”运行。要想冲出地球抵达火星,从“三环”跨越到“四环”,需要长途跋涉10个多月,直线距离突破4亿千米的旅程。要经历发射入轨段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段以及离轨着陆段等五大阶段。

  其中,地火转移段指的是从探测器与火箭分离后,到进入火星引力影响球的飞行阶段。这一阶段是“天问一号”任务里耗时最多的部分,需要近7个月之久。

  经过以亿千米计的奔袭后,“天问一号”进入火星引力影响球,就开始被火星捕获了。发动机点火进行近“火”制动,将探测器的飞行速度降下来,俯下身段,让火星捕获。一旦被火星成功捕获,探测器就会在火星轨道运行,成为一颗绕“火”卫星。接着,探测器就开始进入火星停泊段。

  火星停泊段并不是停泊在火星轨道上不动,而是在一个极轨道上绕“火”飞行。这个阶段要持续几个月,直至探测器降轨后转入两器分离阶段。

  既然已经到了火星轨道,为何还要绕飞数月而不是直接落到火星呢?原来,这个阶段的绕“火”飞行,就是为了让地面控制环绕器上的高分相机对首选着陆区进行详细勘察,并拍照成像。经历多圈精准成像后,我们看清了“落脚点”,才能更好地控制“天问一号”准确着陆到理想区域。

掌握新技术,迎接新挑战

  嫦娥四号登陆月背,中国航天跨越了38万千米的距离,经历了10余年、4个型号任务的不懈努力,才得以“圆梦广寒宫”。如今,“天问一号”面临的是1 000多倍于地月的距离,1/4的准备时间,一次任务实现“绕”“落”“巡”三大目标。跨越式突破,注定会带来更多更新的难题。对我国科研人员来说,必须勇闯难关、赢得挑战。

  

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