“天問一號”:向著火星,出發!
7月23日12時41分,中國在文昌航太發射場用長征五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器。火箭飛行約2167秒後,成功將天問一號探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了中國行星探測第一步。
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     “圜則九重,孰營度之?”

     2020年7月23日12時41分,我國在海南島東北海岸中國文昌航太發射場,用長征五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務“天問一號”探測器發射升空,飛行2000多秒後,成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

   探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後,到達火星附近,通過“剎車”完成火星捕獲,進入環火軌道,並擇機開展著陸、巡視等任務,進行火星科學探測。

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   對宇宙千百年來的探索與追問,是中華民族矢志不渝的航太夢想。從古代詩人屈原發出的《天問》,到如今我國首次火星探測任務被命名為“天問一號”,太空探索無止境,偉大夢想不止步。

   首次火星探測任務新聞發言人、國家航太局探月與航太工程中心副主任劉彤傑表示,此次火星探測任務的工程目標是實現火星環繞探測和巡視探測,獲取火星探測科學數據,實現我國在深空探測領域的技術跨越;同時建立獨立自主的深空探測工程體系,推動我國深空探測活動可持續發展。

火星終迎“中國來客”

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中國首次火星探測任務火星車。李貴良製圖

     自7月23日發射升空後,天問一號探測器將“長途跋涉”約7個月才能飛抵火星。

   這一飛行過程包括發射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測等六個階段。

   據了解,天問一號探測器在中國文昌航太發射場採用長征五號遙四運載火箭升空後,探測器將進入地火轉移軌道。器箭分離後,天問一號探測器太陽翼和定向天線相繼展開,在測控系統支援下,飛行約7個月抵達火星,期間進行深空機動和中途修正。探測器進入環火軌道並經過制動後,再通過2至3個月的環繞飛行後首選進入窗口,期間在著陸區上空對著陸區開展探測。

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   此後,天問一號探測器將擇機實施降軌機動,著陸巡視器與環繞器分離。環繞器升軌返回到停泊軌道,為著陸過程提供中繼通信。著陸巡視器進入火星大氣,依次完成配平翼展開、降落傘開傘、大底分離、背罩分離、動力減速、懸停、避障及緩速下降、著陸緩衝等動作,著陸于火星表面。

   成功著陸後,火星車與著陸平臺解鎖分離。火星車駛離著陸平臺,開始巡視探測。著陸巡視器安全著陸後,環繞器進入中繼軌道,為火星車提供中繼通信,兼顧科學探測。火星車完成探測任務後,環繞器進入使命軌道,開展火星全球遙感探測,兼顧火星車擴展任務中繼通信。

一枚好“箭”四個幫

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     作為“天問一號”探測器的“座駕”,長征五號遙四運載火箭由一個5米芯級火箭和4個3.35米助推器組成,是中國研製的新一代無毒、無污染的大推力火箭,也是火箭家族堛滿坐j塊頭”。

   一個籬笆三個樁,一枚好“箭”四個幫。長征五號運載火箭是中國首個採用助推器支撐的捆綁火箭,4個直徑為3.35米的助推器“五臟俱全”,各自相當於一枚單級運載火箭。四個“幫手”一起為長征五號運載火箭提供90%以上的起飛推力。

   根據全箭總體方案,長征五號四個助推器需要實現三大主要功能,形象地說就是:“撐得住”“點得著”“分得開”。

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   首先,“撐得住”。全箭豎立發射是靠助推器支撐,起飛段主要靠助推器的發動機推力,並通過助推接頭由前捆綁傳力到芯級,以推動整個火箭克服重力飛起來。長征五號助推器採用了“斜頭錐”結構,打個比方說,就像一個人“單肩”扛重物,由此來減輕中間芯級的重量,提升全箭的運載能力。同時,助推器支撐方案還要承受地面風載的影響,長征五號在海南發射,海南屬於熱帶季風氣候,常年風力較大,熱帶風暴和颱風頻繁,地面風載約為現役常規火箭的1.5倍,因此,火箭的尾部承力艙段需具備更高的強度要求。

   其次,“點得著”。助推器的增壓輸送系統,給新研製的液氧煤油發動機提供發射前的重要點火條件:發動機入口壓力和推進劑溫度。這確保發動機能夠點得著火,在飛行中正常工作,為助推器飛行段提供穩定的推力。

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   第三,“分得開”。助推器貯箱攜帶的推進劑耗盡後,芯級控制協調會下達分離指令,讓芯級與助推器之間的前後捆綁連接結構能夠可靠解鎖,實現助推器與芯級的安全分離。

   四大助推器的總體設計與研製工作由中國航太科技集團八院承擔。該院長征五號助推器產品保證副經理吳小軍介紹,與遙三火箭助推器相比來說,長征五號遙四運載火箭助推器有9項更改,更好地提高了助推器的可靠性,而這9項更改實際上在今年5月發射的長征五號B遙一火箭上已經全部驗證過,所以相對來說,長征五號遙四火箭助推器的可靠性更高。

探測火星需要會思考的“大腦”

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     通常情況下,環繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實時狀態和任務要求進行控制的。但火星環繞器由於探測器到地球的距離遠,通信延時大,無法完全依靠地面指令對星上出現的突發狀況進行實時處理。

   此外,環繞器與地面站通信有其空間的特殊性,導致通信中斷(“日淩”)的時間最長可達30天,期間需依靠自身完成長期任務管理,並在出“日淩”後及時調整天線指向,迅速重新與地面建立聯繫。

   據悉,在此次火星探測任務的關鍵節點,自主管理同樣需要發揮巨大作用。在火星探測器進行環繞器與著陸巡視器分離時,環繞器需在短時間內完成3次調姿和2次變軌,對姿態及位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統,火星環繞器才能夠精準、及時地完成與著陸巡視器的分離。

“移民”火星可能嗎?

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    在科幻電影《火星救援》堙A主人公馬克依靠種植土豆獨自在火星上生存下來。這也讓民眾對未來能否“移民”火星充滿了期待。

   近年來,世界各國建設月球基地的熱情很高,不少國家制定相關的計劃和方案。相比月球,被譽為地球“姊妹星”的火星似乎更適合建造基地。美國火星探測器曾在火星上探測到水的痕跡。火星自轉週期與地球類似,約為24小時40分鐘,不僅有一年四季,還擁有稀薄的大氣。這些相似性表明,火星是適宜人類居住改造的最好候選行星,也讓人們看到了"殖民"火星的希望。

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   中國科學院院士歐陽自遠在接受媒體採訪時表示,通過技術手段提高火星表面溫度、增加火星大氣濃度等,可以進一步建立火星表面生態環境。

   值得注意的是,儘管將火星改造為適宜人類生存的"綠色星球"是美好的願景,但這距離真正實施還有遙遠的距離。火星改造工程之浩大、成本之巨、技術難度之高、科學實施步驟之複雜是可想而知的,未來可能需要人類通過幾個世紀艱苦卓絕的努力才能實現。

為了去火星,你知道天問一號有多努力嗎?

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