“天问一号”:向着火星,出发!
7月23日12时41分,中国在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,成功将天问一号探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了中国行星探测第一步。
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     “圜则九重,孰营度之?”

     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,飞行2000多秒后,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国自主开展行星探测的第一步。

   探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后,到达火星附近,通过“刹车”完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。

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   对宇宙千百年来的探索与追问,是中华民族矢志不渝的航天梦想。从古代诗人屈原发出的《天问》,到如今我国首次火星探测任务被命名为“天问一号”,太空探索无止境,伟大梦想不止步。

   首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰表示,此次火星探测任务的工程目标是实现火星环绕探测和巡视探测,获取火星探测科学数据,实现我国在深空探测领域的技术跨越;同时建立独立自主的深空探测工程体系,推动我国深空探测活动可持续发展。

火星终迎“中国来客”

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中国首次火星探测任务火星车。李贵良制图

     自7月23日发射升空后,天问一号探测器将“长途跋涉”约7个月才能飞抵火星。

   这一飞行过程包括发射、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。

   据了解,天问一号探测器在中国文昌航天发射场采用长征五号遥四运载火箭升空后,探测器将进入地火转移轨道。器箭分离后,天问一号探测器太阳翼和定向天线相继展开,在测控系统支持下,飞行约7个月抵达火星,期间进行深空机动和中途修正。探测器进入环火轨道并经过制动后,再通过2至3个月的环绕飞行后首选进入窗口,期间在着陆区上空对着陆区开展探测。

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   此后,天问一号探测器将择机实施降轨机动,着陆巡视器与环绕器分离。环绕器升轨返回到停泊轨道,为着陆过程提供中继通信。着陆巡视器进入火星大气,依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作,着陆于火星表面。

   成功着陆后,火星车与着陆平台解锁分离。火星车驶离着陆平台,开始巡视探测。着陆巡视器安全着陆后,环绕器进入中继轨道,为火星车提供中继通信,兼顾科学探测。火星车完成探测任务后,环绕器进入使命轨道,开展火星全球遥感探测,兼顾火星车扩展任务中继通信。

一枚好“箭”四个帮

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     作为“天问一号”探测器的“座驾”,长征五号遥四运载火箭由一个5米芯级火箭和4个3.35米助推器组成,是中国研制的新一代无毒、无污染的大推力火箭,也是火箭家族里的“大块头”。

   一个篱笆三个桩,一枚好“箭”四个帮。长征五号运载火箭是中国首个采用助推器支撑的捆绑火箭,4个直径为3.35米的助推器“五脏俱全”,各自相当于一枚单级运载火箭。四个“帮手”一起为长征五号运载火箭提供90%以上的起飞推力。

   根据全箭总体方案,长征五号四个助推器需要实现三大主要功能,形象地说就是:“撑得住”“点得着”“分得开”。

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   首先,“撑得住”。全箭竖立发射是靠助推器支撑,起飞段主要靠助推器的发动机推力,并通过助推接头由前捆绑传力到芯级,以推动整个火箭克服重力飞起来。长征五号助推器采用了“斜头锥”结构,打个比方说,就像一个人“单肩”扛重物,由此来减轻中间芯级的重量,提升全箭的运载能力。同时,助推器支撑方案还要承受地面风载的影响,长征五号在海南发射,海南属于热带季风气候,常年风力较大,热带风暴和台风频繁,地面风载约为现役常规火箭的1.5倍,因此,火箭的尾部承力舱段需具备更高的强度要求。

   其次,“点得着”。助推器的增压输送系统,给新研制的液氧煤油发动机提供发射前的重要点火条件:发动机入口压力和推进剂温度。这确保发动机能够点得着火,在飞行中正常工作,为助推器飞行段提供稳定的推力。

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   第三,“分得开”。助推器贮箱携带的推进剂耗尽后,芯级控制协调会下达分离指令,让芯级与助推器之间的前后捆绑连接结构能够可靠解锁,实现助推器与芯级的安全分离。

   四大助推器的总体设计与研制工作由中国航天科技集团八院承担。该院长征五号助推器产品保证副经理吴小军介绍,与遥三火箭助推器相比来说,长征五号遥四运载火箭助推器有9项更改,更好地提高了助推器的可靠性,而这9项更改实际上在今年5月发射的长征五号B遥一火箭上已经全部验证过,所以相对来说,长征五号遥四火箭助推器的可靠性更高。

探测火星需要会思考的“大脑”

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     通常情况下,环绕地球运行的卫星都是由地面控制中心根据卫星的实时状态和任务要求进行控制的。但火星环绕器由于探测器到地球的距离远,通信延时大,无法完全依靠地面指令对星上出现的突发状况进行实时处理。

   此外,环绕器与地面站通信有其空间的特殊性,导致通信中断(“日凌”)的时间最长可达30天,期间需依靠自身完成长期任务管理,并在出“日凌”后及时调整天线指向,迅速重新与地面建立联系。

   据悉,在此次火星探测任务的关键节点,自主管理同样需要发挥巨大作用。在火星探测器进行环绕器与着陆巡视器分离时,环绕器需在短时间内完成3次调姿和2次变轨,对姿态及位置测量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在轨管理系统,火星环绕器才能够精准、及时地完成与着陆巡视器的分离。

“移民”火星可能吗?

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    在科幻电影《火星救援》里,主人公马克依靠种植土豆独自在火星上生存下来。这也让民众对未来能否“移民”火星充满了期待。

   近年来,世界各国建设月球基地的热情很高,不少国家制定相关的计划和方案。相比月球,被誉为地球“姊妹星”的火星似乎更适合建造基地。美国火星探测器曾在火星上探测到水的痕迹。火星自转周期与地球类似,约为24小时40分钟,不仅有一年四季,还拥有稀薄的大气。这些相似性表明,火星是适宜人类居住改造的最好候选行星,也让人们看到了"殖民"火星的希望。

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   中国科学院院士欧阳自远在接受媒体采访时表示,通过技术手段提高火星表面温度、增加火星大气浓度等,可以进一步建立火星表面生态环境。

   值得注意的是,尽管将火星改造为适宜人类生存的"绿色星球"是美好的愿景,但这距离真正实施还有遥远的距离。火星改造工程之浩大、成本之巨、技术难度之高、科学实施步骤之复杂是可想而知的,未来可能需要人类通过几个世纪艰苦卓绝的努力才能实现。

为了去火星,你知道天问一号有多努力吗?

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