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      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

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      剛剛,我國首次火星探測任務天問一號探測器成功實施捕獲軌道遠火點平面機動,完成軌道調整,繞火星飛行路線從“橫著繞”變為“豎著繞”,以便拍攝火星兩極,從而完成對火星全球的遙感成像任務。后續,天問一號還將通過數次軌道調整,進入火星停泊軌道。


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      天問一號被火星捕獲過程:探測器輕微震動,火星表面清晰可見

      人民日報客戶端馮華 楊璐

      2021年2月12日,農歷新年之際,國家航天局發布我國首次火星探測任務天問一號探測器火星捕獲過程影像。

      天問一號探測器火星捕獲過程影像公布 (來源:人民網-人民日報)

      太陽翼監視相機畫面

      監視相機完整記錄了火星進出視野、發動機點火后探測器輕微震動和探測器從火星白天飛入黑夜的過程,太陽翼、定向天線、火星大氣層及表面形貌清晰可見。天問一號從遙遠的火星傳來新春的祝福。

      天問一號被火星捕獲過程:探測器輕微震動,火星表面清晰可見

      定向天線監視相機

      從“捕獲”到“落火”,未來幾個月里“天問一號”做什么

      央視新聞2月11日消息,2021年2月10日19時52分,中國首次火星探測任務“天問一號”探測器實施近火捕獲制動,順利進入大橢圓環火軌道,成為我國第一顆人造火星衛星,成功實現“繞、著、巡”第一步“繞”的目標。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      “天問一號”飛行階段示意圖(圖源:國家航天局)

      自2020年7月23日成功發射以來,“天問一號”已累計飛行202天,飛行里程約4.75億千米,距離地球約1.92億千米。實現環繞火星后,“天問一號”計劃于2021年5月至6月擇機實施火星著陸,開展巡視探測。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      “天問一號”飛行圖像(圖源:國家航天局)

      【點·道】邀請國際宇航聯合會空間運輸委員會副主席、中國航天科工集團二院研究員楊宇光,解讀“天問一號”“落火”前的準備工作、后續“落火”過程中的難點看點。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      國際宇航聯合會空間運輸委員會副主席、中國航天科工集團二院研究員楊宇光

      1.“天問一號”“繞火”的“近火制動”,和“嫦娥”的“近月制動”一樣嗎?

      楊宇光:

      相同點:“都只有一次成功的機會”。航天器接近類似月球和火星這樣的天體,受引力影響,速度不斷加快,如果不適時進行制動,航天器會擺脫天體引力束縛,無法完成“捕獲”。

      不同點:

      ——首先,火星比月球更大,引力更大,因此,近火制動需要的力量更大,消耗的推進劑更多。

      ——其次,近火制動對航天器自主性要求更高。地月平均距離38萬公里,通信延遲約一秒,而當前地火距離近2億公里,通信延遲約10分鐘。因此,“天問一號”的制動指令是提前上注、自主執行的。這在中國航天史上是第一次。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      “天問一號”效果圖((圖源:航天科技集團八院)

      2.從“捕獲”到“落火”之間的幾個月時間,“天問一號”做些什么?

      楊宇光:首先要實施進一步的變軌。讓“天問一號”從當前的低傾角大橢圓軌道,變為傾角接近于90度的“極地軌道”,讓“天問一號”環繞火星飛行的每一圈都經過南北兩極,實現對火星各區域的探測覆蓋。

      其次要實施著陸準備,包括對預設著陸點——烏托邦平原區域使用軌道器攜帶的相機進行探察,為著陸器和巡視器的組合體進入火星大氣做準備。

      在確定“落火”時機之后,“天問一號”需要先下降高度,在著陸器和巡視器的結合體脫離之后,軌道器將抬升高度,轉入中繼軌道,為巡視器與地球之間搭建信息中繼傳輸通道。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      “天問一號”效果圖((圖源:航天科技集團八院)

      3.為什么業內用“恐怖七分鐘”來形容“落火”過程?

      楊宇光:在火星表面著陸,比在地球表面或在月球表面著陸更為復雜。火星大氣壓力只有地球的0.6%~0.7%。航天器在進入火星的過程中,一方面無法依靠大氣降低到安全速度,同時又必須考慮空氣摩擦產生的熱量沖擊。

      “天問一號”采取防熱盾+降落傘+反推發動機三種方式實施“落火”。第一階段依靠防熱盾,在減速的同時防止與火星大氣摩擦產生的熱量破壞探測器,降低到一定的速度后展開降落傘,進一步降速后適時拋棄防熱盾和降落傘,開啟反推發動機,三種手段必須非常完美、無縫銜接。在火星探測“繞、著、巡”三項目標任務中,最難的是“著”的過程。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      “天問一號”著陸巡視器進入火星大氣效果圖(圖源:航天科技集團五院)

      4.“天問一號”搭載的我國首輛火星車正在進行全球征名,目前共有十個名字初選入圍,分別是:弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、風火輪、追夢、天行和星火。您更青睞哪一個或幾個?

      楊宇光:近年來,我國的空間探測活動用了很多中國神話中的名字,比如探月工程用了“嫦娥”、暗物質粒子探測衛星用了“悟空”……體現了鮮明的中國文化特色。

      在火星車的候選名字當中,我比較喜歡“祝融”和“哪吒”——火星有個“火”字,祝融是中國神話傳說中的火神;哪咤則在傳說中有風火輪和火尖槍兩個法寶,也都和火有關。

      剛剛!天問一號完成遠火點平面軌道調整

      我國首輛火星車示意圖(圖源:航天科技集團五院)

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      作者 | 靜靜

      出品 | 網易科技《態℃》欄目組(公眾號:tech_163)

      2021年春節最強賀禮!

      剛剛,中國“天問一號”進入火星軌道。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      2月10日晚間,我國首次火星探測任務“天問一號”探測器實施火星捕獲制動,發動機工作約15分鐘后,探測器順利進入近火點高度約400千米、周期約10個地球日、傾角約10o的大橢圓環火軌道,成為我國第一顆人造火星衛星,實現此次任務“繞、著、巡”目標的第一步,成功開啟環繞火星模式。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      經過長達202天的漫長飛行,“天問一號”成功完成了地月合照、探測器“自拍”、四次中途修正、深空機動、載荷自檢、近火制動(俗稱“剎車”)等工作,按照計劃將于5月登陸火星。

      此次“天問一號”近火制動成功為接下來的著陸奠定了基礎。火星,我們來了!

      為何中國火星車先發后降

      縱觀人類的航天史,人們似乎一直對火星、月球“情有獨鐘”。全球已經有了40多次火星探測活動,但成功和部分成功的任務僅有22次,成功率大約40%。因此,火星有著“航天器墳場”之說。

      但是火星對人類的誘惑太大了。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲圖片來自網絡

      2010年8月,8位院士聯名向國家建議,開展月球以遠深空探測的綜合論證。為此,國家國防科技工業局立即組織專家開展了發展規劃和實施方案論證。

      中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言曾撰文寫道,首次火星探測是深空探測的起點和重點,實施方案經過三輪迭代和深化,在2016年1月正式立項實施。

      2020年“中國航天日”啟動儀式上,備受關注的中國首次火星探測任命被正式宣布命名為“天問一號”。

      根據計劃,我國首次的火星探測任務非常重,任務由軌道器、著陸器、巡視器三個部分組成,目標是通過一次發射任務,完成繞、落、巡這前三個步驟。

      2020年7月23日我國發射了“天問一號”火星探測器,經過繞、落、巡三個步驟之后,預計5月份抵達火星。


      其實,中國的“天問一號”火星探測器發射前后,也有兩個國家發射了火星探測器:7月20日,阿聯酋的“希望號”由日本火箭發射,2月10日(00:08)成功插入火星捕獲軌道;7月30日,美國的“毅力號”也成功發射,預計2月18日抵達火星軌道。

      根據媒體報道,阿聯酋的“希望號”歷時7個月,跨越6000萬公里、飛行4.935億公里,于北京時間2021年2月9日23:30,開啟剎車減速模式,38分鐘后,即北京時間2月10日00:08,希望號成功插入大橢圓火星捕獲軌道。這意味著阿聯酋成為繼蘇聯、美國、歐空局、印度之后第五個成功部署探火任務的國家隊,中國則成為第六個到達火星的國家。

      為何中國的“天問一號”先于美國的“毅力號”發射,但是卻晚于對方抵達火星?為何“天問一號”還需要環繞火星近3個月,在5月中旬才能登陸火星?

      據了解,之所以產生這樣的差異,首先是因為“天問一號”探測器和“毅力號”探測器的任務不同。中國的“天問一號”需要一次完成環繞火星、著陸火星、巡視火星三大步,意味著火星探測器在進入火星后需要環繞火星運行一段時間,這是需要一定的時間的。

      而“毅力號”任務較為簡單,就是登陸火星,然后展開巡視,不需要花時間環繞火星飛行。

      其次,中國是首次對火星探測,并且首次發射就要完成“繞落巡”這三個高難度操作,需要謹慎小心。在降落之前,可能還會出現很多新情況,這些都是之前的模擬實現沒有出現過的,都需要技術人員們做足分析。

      在中國航天科技集團五院深空探測和空間科學首席科學家、中國科學院院士葉培建看來,我國首次火星探測任務實為“彎道超車”。他在接受媒體采訪時曾表示,此次我國火星探測環繞、著陸、巡視計劃如果能夠一步完成,這一跨越式方案將成為全球首次。

      為奔向火星,天問一號有多努力?

      正如前文介紹,“天問一號”是中國的首次探火,而且首次就需要完成許多高難度動作,這意味著背后有著更高的挑戰和更大的風險,國際鮮有先例。

      為了奔向火星,“天問一號”需要闖過多少關?

      首先,是將火星探測器送上太空的火箭。

      據了解,“天問一號”搭載的是長征五號火箭,是我國最大運力的運載火箭,廣大網友愛稱其為大火箭“胖五”。2016年長征五號運載火箭首飛成功,截止目前,總共發射了三次,失敗一次。

      相比于月球,火星距離地球更加遙遠,而且火星和地球兩者的距離會不斷的變化:地球和火星位于太陽兩側時最遠距離大約4億公里,而位于太陽同側最近時有5460萬公里遠(是月球的150倍遠)。

      “天問一號”探測器奔赴火星,并不是走直線,而是通過火箭的運力將探測器送入橢圓形軌道,在這個過程中將一直處于高速飛行狀態,需要“長途奔襲”10個月。

      目前來看,“天問一號”已經完美的完成了這一動作。成功完成了地月合照、探測器“自拍”、四次中途修正、深空機動、載荷自檢等工作。

      2021年2月10日,“天問一號”探測器完成近火制動,距離火星又近了一步。

      然而,接下來的一步才是“天問一號”探測器成功的關鍵,也是最具挑戰的環節。

      探測器達到火星附近后,需要被火星引力俘獲,相比地球而言,火星只是個小不點,質量僅有地球的10.7% ,引力影響范圍很小,這要求探測器必須精準切入環繞火星軌道,然后再開始執行著陸任務。

      “火星探測最大的難點在于’恐怖7分鐘’,在進入、下降與著陸過程中,要在7分鐘內將探測器的時速從2萬千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實現,包括氣動外形、降落傘和反推等,也需要自主導航控制技術來保證。”中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張偉曾對《科技日報》表示。

      據了解,在著陸前,探測器需要先將速度降下來,從4.8公里/秒減速到460米/秒,相當于先來一個急剎車;

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲來自網易科技

      接著,探測器打開降落傘,用90秒的時間將速度再降到95米/秒;

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲來自網易科技

      最后,進入“著陸緩沖段”,這會兒探測器需要懸停避障,對火星表面進行觀察,看一下地面有沒有坑、大的石頭,保證落地安全性。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲來自網易科技

      “目前國際上主要有兩種減速方式。我國根據探月工程中的技術經驗作為基礎,將通過4個階段逐步減速,最終使探測器平穩到達火星表面。”中國科學院院士、航天科技集團科技委主任包為民曾向媒體透露,第一階段為氣動減速,第二階段開降落傘,第三階段動力減速開反推,第四階段懸停避障;著陸器在火星表面軟著陸成功后將釋放火星車。

      登陸火星是最具挑戰之一,由于火星擁有大氣層,要防止著陸器在下降過程中變得過熱;而且僅憑落傘無法使著陸器減速,還需要減速火箭。在此前18次火星著陸任務重,僅有10次取得了成功。

      在成功著陸之后,探測車將進行“拍照留念”、探測物質和元素、探測環境和偵測火星淺層地質結構,以及探測火星氣象等。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲來自網易科技

      依照計劃,火星探測器壽命只有短短90個火星日,火星日比地球一天略長,為24小時40分鐘,也就是三個月的時間。

      至此,“天問一號”火星探測器即可完成其使命。

      火星:人類第二家園

      雖然登陸火星是如此艱難,但依然未能阻止人類探索的腳步。為何?

      作為太陽系的行星之一,火星與地球在環境等方面的相似性,使得人們對火星探索一直抱有濃厚興趣。

      專家表示,火星不僅有大氣,也有適宜的溫度,和地球也有著相似的自轉周期。研究火星可以給人類帶來很多啟示,極具價值的基礎研究。

      國外媒體曾經發表文章稱,科學家在火星南極冰蓋下發現了液態水存在的證據。這一發現更是激起了人們對火星的探索熱情。

      “火星是太陽系內與地球特點最為接近的行星,是人類未來移民的首選地。”張偉接受媒體采訪時表示。

      這意味著,火星將是人類的“第二家園”。科學家甚至都已經提出了火星改造方案。

      此次,除了中國的“天問一號”探測器之外,美國的“毅力號”火星車和阿聯酋的“希望”火星探測器,在定于今年7月份發貨時額,而原定于今年“探火”的歐洲與俄羅斯合作已宣布推遲到2022年。

      為何都選擇了2020年7月份發射?

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲來自網易科技

      據了解,每隔兩年,全球都會迎來一次火星探測高潮,原因在于地球與火星位置的關系,每26個月火星會有一次距離地球最近的機會,距離只有5500萬公里,這也是發射火星探測器的最佳時間窗口。

      此時實施火星探測,探測器飛行的路線最短,最省燃料。如果錯過此次發射,就要在等26個月,下次發射窗口要等到2022年9月。

      移民火星還要多久?

      既然火星是人類孜孜不倦追求的“第二家園”,何時人類才能夠移民火星呢?

      商業火箭公司SpaceX的創始人馬斯克曾經提出個火星移民計劃:希望在火星建立社區,他還喊出如果把一個人的移居成本控制在20萬美元左右,預計地球上至少有2萬人愿意移民外星球,因為這比買房還便宜。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      “北斗女神”徐穎在接受網易科技采訪時曾表示,火星是我們的鄰居,火星也是我們離太空最近的一個夢想。但是,如果人類真的想移民到火星上來生活的話,還有很多事情要做。比如解決物理層的問題,解決火星環境問題,包括火星大氣問題。

      “其實已經有科學家提出了火星移民的整體改造方案。大概多少年可以對火星改造完畢,移民火星,我覺得這個單位要用千年為單位計量。”徐穎認為。

      雨果獎獲得者、科幻作家郝景芳表示,在可以預見的未來,人類即使移民火星,也一定是在封閉環境下有限資源條件下的生存。

      這就意味著火星生活不可能是非常自由的,一定是將所有人束縛在一個有限的空間里。這樣才能保證可呼吸和空氣,可分配的食物,能源和最高效的物資調配方式。

      天問一號入軌火星成功,火星,我們來了!

      ▲圖片來自網絡 火星生活想象圖

      “所以,這樣營造出來的生存空間和社會,和我們地球上極大豐富的世界資源非常不一樣,也會非常經濟有效的方式去運行,火星上的社會幾乎肯定是科學家工程師和高級知識分子創造出來的社會,也一定是一個非常信息化的社會。”郝景芳認為。

      如果有生之年,可以移民火星,你的選擇會是什么?

      參考資料:

      中國航天科技集團公眾號

      科技日報《天問一號:在探火路上來一次“后發先至”》

      新華報業網《首次火星探測任務將進行 “天問一號”,一次實現“繞落巡”》

      科技日報《成功率不到一半 為什么人類在如履薄冰中“探索火”》

      中國青年報《“天問一號”將向火星進發 中國行星探測為何首探火星》

      果殼《為了去火星,你知道天問一號有多努力嗎?》

      騰訊網《美國毅力號晚發射一星期,為何還能比中國天問一號早3月登陸?》

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