刚刚!天问一号完成远火点平面轨道调整

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刚刚,我国首次火星探测任务天问一号探测器成功实施捕获轨道远火点平面机动,完成轨道调整,绕火星飞行路线从“横着绕”变为“竖着绕”,以便拍摄火星两极,从而完成对火星全球的遥感成像任务。后续,天问一号还将通过数次轨道调整,进入火星停泊轨道。

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天问一号被火星捕获过程:探测器轻微震动,火星表面清晰可见

人民日报客户端冯华 杨璐

2021年2月12日,农历新年之际,国家航天局发布我国首次火星探测任务天问一号探测器火星捕获过程影像。

太阳翼监视相机画面

监视相机完整记录了火星进出视野、发动机点火后探测器轻微震动和探测器从火星白天飞入黑夜的过程,太阳翼、定向天线、火星大气层及表面形貌清晰可见。天问一号从遥远的火星传来新春的祝福。

定向天线监视相机

从“捕获”到“落火”,未来几个月里“天问一号”做什么

央视新闻2月11日消息,2021年2月10日19时52分,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施近火捕获制动,顺利进入大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,成功实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标。

“天问一号”飞行阶段示意图(图源:国家航天局)

自2020年7月23日成功发射以来,“天问一号”已累计飞行202天,飞行里程约4.75亿千米,距离地球约1.92亿千米。实现环绕火星后,“天问一号”计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

“天问一号”飞行图像(图源:国家航天局)

【点·道】邀请国际宇航联合会空间运输委员会副主席、中国航天科工集团二院研究员杨宇光,解读“天问一号”“落火”前的准备工作、后续“落火”过程中的难点看点。

国际宇航联合会空间运输委员会副主席、中国航天科工集团二院研究员杨宇光

1.“天问一号”“绕火”的“近火制动”,和“嫦娥”的“近月制动”一样吗?

杨宇光:

相同点:“都只有一次成功的机会”。航天器接近类似月球和火星这样的天体,受引力影响,速度不断加快,如果不适时进行制动,航天器会摆脱天体引力束缚,无法完成“捕获”。

不同点:

——首先,火星比月球更大,引力更大,因此,近火制动需要的力量更大,消耗的推进剂更多。

——其次,近火制动对航天器自主性要求更高。地月平均距离38万公里,通信延迟约一秒,而当前地火距离近2亿公里,通信延迟约10分钟。因此,“天问一号”的制动指令是提前上注、自主执行的。这在中国航天史上是第一次。

“天问一号”效果图((图源:航天科技集团八院)

2.从“捕获”到“落火”之间的几个月时间,“天问一号”做些什么?

杨宇光:首先要实施进一步的变轨。让“天问一号”从当前的低倾角大椭圆轨道,变为倾角接近于90度的“极地轨道”,让“天问一号”环绕火星飞行的每一圈都经过南北两极,实现对火星各区域的探测覆盖。

其次要实施着陆准备,包括对预设着陆点——乌托邦平原区域使用轨道器携带的相机进行探察,为着陆器和巡视器的组合体进入火星大气做准备。

在确定“落火”时机之后,“天问一号”需要先下降高度,在着陆器和巡视器的结合体脱离之后,轨道器将抬升高度,转入中继轨道,为巡视器与地球之间搭建信息中继传输通道。

“天问一号”效果图((图源:航天科技集团八院)

3.为什么业内用“恐怖七分钟”来形容“落火”过程?

杨宇光:在火星表面着陆,比在地球表面或在月球表面着陆更为复杂。火星大气压力只有地球的0.6%~0.7%。航天器在进入火星的过程中,一方面无法依靠大气降低到安全速度,同时又必须考虑空气摩擦产生的热量冲击。

“天问一号”采取防热盾+降落伞+反推发动机三种方式实施“落火”。第一阶段依靠防热盾,在减速的同时防止与火星大气摩擦产生的热量破坏探测器,降低到一定的速度后展开降落伞,进一步降速后适时抛弃防热盾和降落伞,开启反推发动机,三种手段必须非常完美、无缝衔接。在火星探测“绕、着、巡”三项目标任务中,最难的是“着”的过程。

“天问一号”着陆巡视器进入火星大气效果图(图源:航天科技集团五院)

4.“天问一号”搭载的我国首辆火星车正在进行全球征名,目前共有十个名字初选入围,分别是:弘毅、麒麟、哪吒、赤兔、祝融、求索、风火轮、追梦、天行和星火。您更青睐哪一个或几个?

杨宇光:近年来,我国的空间探测活动用了很多中国神话中的名字,比如探月工程用了“嫦娥”、暗物质粒子探测卫星用了“悟空”……体现了鲜明的中国文化特色。

在火星车的候选名字当中,我比较喜欢“祝融”和“哪吒”——火星有个“火”字,祝融是中国神话传说中的火神;哪咤则在传说中有风火轮和火尖枪两个法宝,也都和火有关。

我国首辆火星车示意图(图源:航天科技集团五院)

天问一号入轨火星成功,火星,我们来了!

作者 | 静静

出品 | 网易科技《态℃》栏目组(公众号:tech_163)

2021年春节最强贺礼!

刚刚,中国“天问一号”进入火星轨道。

2月10日晚间,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器实施火星捕获制动,发动机工作约15分钟后,探测器顺利进入近火点高度约400千米、周期约10个地球日、倾角约10º的大椭圆环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现此次任务“绕、着、巡”目标的第一步,成功开启环绕火星模式。

经过长达202天的漫长飞行,“天问一号”成功完成了地月合照、探测器“自拍”、四次中途修正、深空机动、载荷自检、近火制动(俗称“刹车”)等工作,按照计划将于5月登陆火星。

此次“天问一号”近火制动成功为接下来的着陆奠定了基础。火星,我们来了!

为何中国火星车先发后降

纵观人类的航天史,人们似乎一直对火星、月球“情有独钟”。全球已经有了40多次火星探测活动,但成功和部分成功的任务仅有22次,成功率大约40%。因此,火星有着“航天器坟场”之说。

但是火星对人类的诱惑太大了。

▲图片来自网络

2010年8月,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。为此,国家国防科技工业局立即组织专家开展了发展规划和实施方案论证。

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曾撰文写道,首次火星探测是深空探测的起点和重点,实施方案经过三轮迭代和深化,在2016年1月正式立项实施。

2020年“中国航天日”启动仪式上,备受关注的中国首次火星探测任命被正式宣布命名为“天问一号”。

根据计划,我国首次的火星探测任务非常重,任务由轨道器、着陆器、巡视器三个部分组成,目标是通过一次发射任务,完成绕、落、巡这前三个步骤。

2020年7月23日我国发射了“天问一号”火星探测器,经过绕、落、巡三个步骤之后,预计5月份抵达火星。

其实,中国的“天问一号”火星探测器发射前后,也有两个国家发射了火星探测器:7月20日,阿联酋的“希望号”由日本火箭发射,2月10日(00:08)成功插入火星捕获轨道;7月30日,美国的“毅力号”也成功发射,预计2月18日抵达火星轨道。

根据媒体报道,阿联酋的“希望号”历时7个月,跨越6000万公里、飞行4.935亿公里,于北京时间2021年2月9日23:30,开启刹车减速模式,38分钟后,即北京时间2月10日00:08,希望号成功插入大椭圆火星捕获轨道。这意味着阿联酋成为继苏联、美国、欧空局、印度之后第五个成功部署探火任务的国家队,中国则成为第六个到达火星的国家。

为何中国的“天问一号”先于美国的“毅力号”发射,但是却晚于对方抵达火星?为何“天问一号”还需要环绕火星近3个月,在5月中旬才能登陆火星?

据了解,之所以产生这样的差异,首先是因为“天问一号”探测器和“毅力号”探测器的任务不同。中国的“天问一号”需要一次完成环绕火星、着陆火星、巡视火星三大步,意味着火星探测器在进入火星后需要环绕火星运行一段时间,这是需要一定的时间的。

而“毅力号”任务较为简单,就是登陆火星,然后展开巡视,不需要花时间环绕火星飞行。

其次,中国是首次对火星探测,并且首次发射就要完成“绕落巡”这三个高难度操作,需要谨慎小心。在降落之前,可能还会出现很多新情况,这些都是之前的模拟实现没有出现过的,都需要技术人员们做足分析。

在中国航天科技集团五院深空探测和空间科学首席科学家、中国科学院院士叶培建看来,我国首次火星探测任务实为“弯道超车”。他在接受媒体采访时曾表示,此次我国火星探测环绕、着陆、巡视计划如果能够一步完成,这一跨越式方案将成为全球首次。

为奔向火星,天问一号有多努力?

正如前文介绍,“天问一号”是中国的首次探火,而且首次就需要完成许多高难度动作,这意味着背后有着更高的挑战和更大的风险,国际鲜有先例。

为了奔向火星,“天问一号”需要闯过多少关?

首先,是将火星探测器送上太空的火箭。

据了解,“天问一号”搭载的是长征五号火箭,是我国最大运力的运载火箭,广大网友爱称其为大火箭“胖五”。2016年长征五号运载火箭首飞成功,截止目前,总共发射了三次,失败一次。

相比于月球,火星距离地球更加遥远,而且火星和地球两者的距离会不断的变化:地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约4亿公里,而位于太阳同侧最近时有5460万公里远(是月球的150倍远)。

“天问一号”探测器奔赴火星,并不是走直线,而是通过火箭的运力将探测器送入椭圆形轨道,在这个过程中将一直处于高速飞行状态,需要“长途奔袭”10个月。

目前来看,“天问一号”已经完美的完成了这一动作。成功完成了地月合照、探测器“自拍”、四次中途修正、深空机动、载荷自检等工作。

2021年2月10日,“天问一号”探测器完成近火制动,距离火星又近了一步。

然而,接下来的一步才是“天问一号”探测器成功的关键,也是最具挑战的环节。

探测器达到火星附近后,需要被火星引力俘获,相比地球而言,火星只是个小不点,质量仅有地球的10.7% ,引力影响范围很小,这要求探测器必须精准切入环绕火星轨道,然后再开始执行着陆任务。

“火星探测最大的难点在于’恐怖7分钟’,在进入、下降与着陆过程中,要在7分钟内将探测器的时速从2万千米降低到零。这需要融合多种减速手段才能实现,包括气动外形、降落伞和反推等,也需要自主导航控制技术来保证。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟曾对《科技日报》表示。

据了解,在着陆前,探测器需要先将速度降下来,从4.8公里/秒减速到460米/秒,相当于先来一个急刹车;

▲来自网易科技

接着,探测器打开降落伞,用90秒的时间将速度再降到95米/秒;

▲来自网易科技

最后,进入“着陆缓冲段”,这会儿探测器需要悬停避障,对火星表面进行观察,看一下地面有没有坑、大的石头,保证落地安全性。

▲来自网易科技

“目前国际上主要有两种减速方式。我国根据探月工程中的技术经验作为基础,将通过4个阶段逐步减速,最终使探测器平稳到达火星表面。”中国科学院院士、航天科技集团科技委主任包为民曾向媒体透露,第一阶段为气动减速,第二阶段开降落伞,第三阶段动力减速开反推,第四阶段悬停避障;着陆器在火星表面软着陆成功后将释放火星车。

登陆火星是最具挑战之一,由于火星拥有大气层,要防止着陆器在下降过程中变得过热;而且仅凭落伞无法使着陆器减速,还需要减速火箭。在此前18次火星着陆任务重,仅有10次取得了成功。

在成功着陆之后,探测车将进行“拍照留念”、探测物质和元素、探测环境和侦测火星浅层地质结构,以及探测火星气象等。

▲来自网易科技

依照计划,火星探测器寿命只有短短90个火星日,火星日比地球一天略长,为24小时40分钟,也就是三个月的时间。

至此,“天问一号”火星探测器即可完成其使命。

火星:人类第二家园

虽然登陆火星是如此艰难,但依然未能阻止人类探索的脚步。为何?

作为太阳系的行星之一,火星与地球在环境等方面的相似性,使得人们对火星探索一直抱有浓厚兴趣。

专家表示,火星不仅有大气,也有适宜的温度,和地球也有着相似的自转周期。研究火星可以给人类带来很多启示,极具价值的基础研究。

国外媒体曾经发表文章称,科学家在火星南极冰盖下发现了液态水存在的证据。这一发现更是激起了人们对火星的探索热情。

“火星是太阳系内与地球特点最为接近的行星,是人类未来移民的首选地。”张伟接受媒体采访时表示。

这意味着,火星将是人类的“第二家园”。科学家甚至都已经提出了火星改造方案。

此次,除了中国的“天问一号”探测器之外,美国的“毅力号”火星车和阿联酋的“希望”火星探测器,在定于今年7月份发货时额,而原定于今年“探火”的欧洲与俄罗斯合作已宣布推迟到2022年。

为何都选择了2020年7月份发射?

▲来自网易科技

据了解,每隔两年,全球都会迎来一次火星探测高潮,原因在于地球与火星位置的关系,每26个月火星会有一次距离地球最近的机会,距离只有5500万公里,这也是发射火星探测器的最佳时间窗口。

此时实施火星探测,探测器飞行的路线最短,最省燃料。如果错过此次发射,就要在等26个月,下次发射窗口要等到2022年9月。

移民火星还要多久?

既然火星是人类孜孜不倦追求的“第二家园”,何时人类才能够移民火星呢?

商业火箭公司SpaceX的创始人马斯克曾经提出个火星移民计划:希望在火星建立社区,他还喊出如果把一个人的移居成本控制在20万美元左右,预计地球上至少有2万人愿意移民外星球,因为这比买房还便宜。

“北斗女神”徐颖在接受网易科技采访时曾表示,火星是我们的邻居,火星也是我们离太空最近的一个梦想。但是,如果人类真的想移民到火星上来生活的话,还有很多事情要做。比如解决物理层的问题,解决火星环境问题,包括火星大气问题。

“其实已经有科学家提出了火星移民的整体改造方案。大概多少年可以对火星改造完毕,移民火星,我觉得这个单位要用千年为单位计量。”徐颖认为。

雨果奖获得者、科幻作家郝景芳表示,在可以预见的未来,人类即使移民火星,也一定是在封闭环境下有限资源条件下的生存。

这就意味着火星生活不可能是非常自由的,一定是将所有人束缚在一个有限的空间里。这样才能保证可呼吸和空气,可分配的食物,能源和最高效的物资调配方式。

▲图片来自网络 火星生活想象图

“所以,这样营造出来的生存空间和社会,和我们地球上极大丰富的世界资源非常不一样,也会非常经济有效的方式去运行,火星上的社会几乎肯定是科学家工程师和高级知识分子创造出来的社会,也一定是一个非常信息化的社会。”郝景芳认为。

如果有生之年,可以移民火星,你的选择会是什么?

参考资料:

中国航天科技集团公众号

科技日报《天问一号:在探火路上来一次“后发先至”》

新华报业网《首次火星探测任务将进行 “天问一号”,一次实现“绕落巡”》

科技日报《成功率不到一半 为什么人类在如履薄冰中“探索火”》

中国青年报《“天问一号”将向火星进发 中国行星探测为何首探火星》

果壳《为了去火星,你知道天问一号有多努力吗?》

腾讯网《美国毅力号晚发射一星期,为何还能比中国天问一号早3月登陆?》

(责任编辑:贺锦格_NB18842)

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