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火星,我们来了!

2019-06-12来源:贵州财经网

阅读提示:探火最关心的是生命探寻及其演化历史。火星最像地球,它能不能改造成为第二个地球,以供人类移居,是我们最感兴趣的问题。

作者|姜浩峰

“以嫦娥四号任务圆满成功为标志,中国探月工程四期和深空探测工程全面拉开序幕。嫦娥五号月面采样返回任务将于今年年底左右实施,中国首次火星探测任务将于2020年前后实施。”2019年1月14日,国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华在国新办发布会上披露了在太空探索事业上的下一步计划。

这并不是中国官方首次公布自己的火星探索计划。2018年11月5日,于珠海举行的中国国际航空航天博览会上,中国国家航天局系统工程司副司长赵坚,曾介绍中国航天未来深空探测工程领域重点任务:“我国首次火星探测任务计划在2020年左右实施,实现2021年火星探测器着陆火星。后续至2030年前后,我国还将实施小行星探测、火星取样、木星系探测及行星穿越等三次深空探测任务。”

迄今为止,全世界已有美国、俄罗斯、日本、印度等国发射过火星探测器,然而,除了美国以外,其他国家成功的案例屈指可数。

作为后来者,中国在完成了探月工程三期以后,准备向火星进发,堪称一步一个脚印。就连美国国家航空航天局(NASA)局长吉姆·布里登斯廷(Jim Bridenstine)都在劝说美国政府,现在与中国合作还来得及。1月18日,美国方面果然迫不及待披露——美中两国航天机构正在协调月球探索方面的努力。

火星,我们来了!

探月为火星探测架起“鹊桥”

很多人知道美国、苏联以及苏联解体后的俄罗斯向火星发射过探测器,实际上,日本和印度也相继在1998年和2014年向火星发射过探测器。

日本的希望号火星探测器,由日本宇宙科学研究所负责发射升空。在1999年10月到达火星附近时,探测器没有进入预定轨道,几经转轨,最终于2003年被日本放弃。印度的曼加里安号火星探测器,于2013年11月5日在斯里赫里戈达岛航天发射场升空,于2014年进入火星轨道。然而,这是一个据称载荷只有15公斤的小玩意儿。

而中国于2016年1月11日批准立项的火星探测任务,想要做到的则不仅仅是绕着火星轨道转圈,而是一步实现绕火星的探测和着陆火星表面的巡视。由此可知,中国的火星探测器必将携带火星车。

时任中国国家航天局局长许达哲2016年对“一步实现绕火星和着陆”评价称:“这相当有难度。因为每一个发射窗口要26个月才能遇到,我们正在严密地制定工程计划,争取在2020年这个窗口发射探测和着陆巡视的火星探测器。”

“由中国的火星探测器可以研究火星的土壤、环境、大气,甚至世人关注的火星上的水可知——中国2020年发射的火星探测器,肯定比印度的要大很多。”有航天专家向《新民周刊》记者表示,“因为我们有了探月工程的成功经验,等于是有了基础。”

专家所言的“基础”,包括了探月工程的绕月、落月,还有月球车,在未来的探测火星之旅的时候,这些都是用得着的成熟技术。

“中国火星探测器的大小和结构,与嫦娥、玉兔相似,又有不同。”早在2016年,全国政协委员、卫星专家叶培建就曾对媒体如此表述。

探测火星比探月,确实有新的挑战。譬如探测器落于火星表面,和落于月球表面,有一个重大区别,就是火星有大气层而月球没有大气层。这就意味着火星探测器如果要落于火星表面,必须解决穿越火星大气层的问题。在着陆火星的过程中,初始降落速度非常快,为避免与火星大气层摩擦时产生高温烧毁,需要一定升力帮助它减速,使得探测器外侧温度不那么高。据中国科学院院士、中国月球探测工程领导小组高级顾问欧阳自远称,火星由于有大约地球表面百分之一密度的大气,在探测器着陆时,比着陆月球也有优势,那就是可以使用降落伞和气囊。

就公开披露的信息看,2018年全国两会期间,全国政协委员、中国航天科技集团十一院研究员周伟江曾对外披露,中国计划于2020年发射的火星探测器,已完成气动外形设计,以及气动力、气动热设计工作。周伟江称,与国内外一些探测器采取的调整探测器重心的策略不同,中国着陆火星探测器的独家秘方是——通过开启活动控制部件、配合喷流控制来产生升力。

无论探测器设计成什么样子,地球上的控制中心对它的管控尤为关键。以着陆火星为例,如何控制探测器的姿态非常重要,如果它翻起跟头,可能会被烧蚀或偏离轨道。而在着陆火星的过程中,探测器上会不断有部件分离。譬如先要抛出前盖,打开降落伞,这个过程不能影响飞行稳定性。降到一定高度时,要抛掉大底,由于此时准备着陆的探测器是大底朝前降落,这个动作相当于是迎风完成的。接下来,还要把舱里的巡视器抛出去。这些情况,都有可能影响探测器着陆的稳定性,不仅在探测器气动设计中需要考虑周全,还需要地面管控中心做到精准管控。

地球到月球是38.4万公里;而从地球到火星,最近距离5500万公里,最远距离则要超过4亿公里。从地球向探测器发送管控指令,假设管控指令通过电磁波的方式到达月面需要1.28秒,那么,到达5500万公里以外的火星,就起码需要180秒。如果在4亿公里以外与地球对话,信息发送一个来回则要40分钟。当在地球上发出的电磁波经过漫长的距离后,信号会衰减,需要更大更灵敏的天线进行接收。

在专家看来,2020年中国的地面测控网应能做到对火星探测器的管控。原因在于:2018年5月,中国的月球中继卫星“鹊桥”搭乘长征四号丙运载火箭升空,卫星由火箭送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。之后,通过“鹊桥”,人们看到了月球背面的模样。

尽管仅仅是一颗月球中继卫星,但“鹊桥”却拥有几个世界之最——拥有深空探测器最大口径通信天线——达4.2米直径的“巨伞”张开后,可以为嫦娥四号着陆器、巡视器与地面测控站之间的“地月对话”提供便利。除了“巨伞”,“鹊桥”中继星还有一面超高清“反光镜”——激光角反射器。地球观测站发出的激光波束,可以准确找到40多万公里外高速飞行的“鹊桥”中继星,通过发送、接收的时间差,计算出星地距离,这是人类历史上最远距离的激光测距试验。

事实证明,在某些技术领域,“鹊桥”已经超出了之前探测火星国家所用的中继卫星。

掌握了先进的中继卫星技术,未来,中国发射到火星的探测器,也将由先进的中继卫星引导,与地球测控系统联系。即便如此,由于届时火星探测器距离地球确实较远,信号往返于地球和火星之间的时间较长,在大多数情况下,探测器主要得靠自主控制,独立完成帆板展开、对日定向、制动捕获、器器分离和故障诊断等功能。

大功率火箭助力着陆火星

火星,我们来了!

周伟江曾表示,在进行火星探测器设计的时候,必须处处受到严格的重量限制。“比如防热材料,如果用少了,着陆器会被烧坏;多用一点,重量就会超标。各系统、结构要精打细算,一点点抠,几乎不容许有余量。”

回顾人类探索火星的历程,至今为止共发射过40多个火星探测器,成功率仅为50%。业内甚至有人称火星为“探测器坟场”。

火星探测,起始于1960年代的苏联。不过,整个1960年代,苏联发射往火星的探测器几乎全部失败。美国在经历了最初的失败后,于1964年11月28日向火星发射了“水手4” 号,终于于1965年7月14日到达火星表面上空9800公里处,并向地球传回了21张照片。这是人类太空探测器有史以来第一次到达火星附近并传回照片。之后,美国又开启了“海盗”号、“火星探路者”、“火星环球勘测者”等计划,这些探测器都曾成功着陆火星。但美国也有失败的案例,较近的例子是——1999年9月23日,美国“火星气候”轨道器在即将进入预定轨道前烧毁。

欧洲探索火星失败的例子也不少,譬如2003年12月,欧洲“猎兔犬2”号着陆器与“火星快车”轨道器分离后,准备在火星表面着陆时失踪了;2016年10月20日,欧洲“火星生物学-2016”中的“夏帕雷利”进入、降落和着陆演示器在着陆前与地面失去了联系,原因由一个仅一秒的计算失误所致。

至于俄罗斯,2011年11月8日发射的福布斯-土壤号火星探测器变轨失败,由此也导致了中国搭载的萤火1号火星探测器的失败。

就美国来说,迄今为止最为成功的火星探索行动,是2011年11月26日发射的好奇号火星探测器,其于2012年8月6日成功着陆火星表面。好奇号原本的设计寿命是一年——不是地球的一年,而是火星上的一年,相当于地球上的687天,或者火星上的669天。然而,就目前情况看,好奇号仍在不断向地球发回信息。2018年6月7日,美国国家航空航天局公布的信息称,好奇号在火星岩石和大气中发现新证据,说明这颗红色行星可能曾经存在生命,甚至可能仍存在生命。经过2018年9月的短暂故障,2018年11月,好奇号竟然重新恢复工作,继续超期服役。

美国尝到了探测器成功着陆火星并超期服役的甜头,于2018年5月5日,通过“宇宙神”V-401型火箭像火星发射了洞察号火星探测器。洞察号于2018年11月26日成功着陆火星。

在2007年于印度海德拉巴举行的第58届国际宇航联合会大会上,美国国家航空航天局曾宣布,将于2037年派宇航员前往火星。2015年12月,美国国家航空航天局还展开了招聘工作,并称,成功申请者将有机会前往火星上班。而实际上,这些新招募的宇航员,更可能先搭乘SpaceX公司的载人版龙飞船,前往国际空间站工作,给人类火星之旅做准备而已。

作为航天领域的后起之秀,中国做了很多年的准备,值此嫦娥四号任务圆满完成之际,拉开了深空探测工程的序幕,准备向火星进发,并希望一步实现绕火星的探测和着陆火星表面的巡视。

“2016年11月3日,中国的长征五号火箭在海南文昌发射场首飞成功。长征五号绰号‘胖五’,其近地轨道运载能力达到25吨,地球同步轨道运载能力达到14吨。这说明中国的大火箭研制工作有了突破。”专家认为,长征五号火箭非常适合中国2020年发射的火星探测器。而据欧阳自远说,2019年嫦娥五号前往月球,就将重新启用长征五号火箭来发射。

前不久在北京举办的“太空探索与人类未来”主题论坛上,国家航天局系统工程司司长李国平披露,2020年发射火星探测器后,中国计划在2028年左右进行火星探测的第二次任务,届时,探测器不仅要到达、着陆火星,还将采样火星上的土壤返回地球。2030年前后开展对木星系和行星系的探测。

《新民周刊》记者了解到,届时,中国推力更大的火箭——近地轨道运载能力达到140吨的长征九号火箭,将不仅完成将探测器发送到火星的任务,还将载着装有火星标本的探测器回家。按照航天科技集团一院总体部总体室主任何巍的话说:“长征九号的规模和性能与美国的太空发射系统(SLS)处于同一量级。长征九号运载火箭的研制成功将满足未来较长时期国内深空探测、载人月球探测等国家重大科技活动的任务需求,可保障我国在未来宇宙探索和空间开发中立于优势地位。”总之,有了更大个头的火箭,对于探索火星来说,就会更有安全保障。

至于我们为何要在探月之后探索火星,在接受《新民周刊》记者采访时,航天专家李必光如此解读:“探月重点是为了寻找资源和能源,以便人类去开发;而探火最关心的是生命探寻及其演化历史。火星最像地球,它能不能改造成为第二个地球,以供人类移居,是我们最感兴趣的问题。”

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