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一步到位!天问一号,看你的了!

来源:科技日报

今年7月,火星探测迎来发射“窗口期”,一旦错过,就要等待近26个月。随着这一关键节点的临近,筹划了多年的中国首个火星探测项目,也终于有了自己的名字——“天问一号”,中国行星探测任务则被命名为“天问(Tianwen)系列”。

我国首次火星探测任务计划于7月择机在中国文昌航天发射场执行。中国航天科技集团五院火星探测器副总设计师贾阳此前表示,此次探测任务目标是通过一次发射,实现火星环绕、着陆、巡视探测目标,开展对火星全球性和综合性的探测,并对火星表面重点地区进行精细巡视勘察。

一举多得,少花钱多办事

纵观人类航天史,人们似乎对火星“情有独钟”,截至目前,全球共有40余次火星探测活动,这是为何?

中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟在接受科技日报记者采访时给出了答案:“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。”

毋庸置疑,人类“第二家园”这一诱惑实在太大。“火星过去可能拥有过适合地球生命生存的环境条件。”张伟表示,研究火星地质、表面成分的长期演变过程,岩石和空气、水的相互作用等,将有助于我们理解火星生命可能存在和消失的原因,进而分析和预测地球的未来。

张伟介绍,人类探测火星的方式通常包括环绕、着陆、巡视、采样返回、载人登陆探测等。今年“天问一号”一次发射同时要完成环绕、着陆、巡视3种探测目标,实属“少花钱,多办事”。

一举多得的背后,是复杂的技术和较高的风险,国际上也鲜有先例。美国海盗1号、海盗2号火星探测器曾通过一次发射实现了环绕、着陆两种探测目标;欧洲也曾进行过类似的尝试,但并未成功,只实现了“一举一得”。

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,我们若想实现超越,需要利用现有的技术实现“两步并成一步走”。事实上,我国很早就开展了相关研究。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。

多方合力,备战探火“大考”

正如叶培建院士所言,我国火星探测计划筹谋已久。

“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,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,于2016年1月正式立项实施。

从此,一场瞄准火星的深空探测大戏正式拉开帷幕。

首次火星探测任务由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用5大系统组成。其中,探测器、运载火箭均由中国航天科技集团抓总研制。

2017年9月,第三届北京月球与深空探测国际论坛传来消息,我国火星探测任务的相关载荷已经基本确定,涉及空间环境探测、火星表面探测、火星表层结构探测等领域。

此次任务所采用的长征五号遥四火箭也已做好了充足准备。2020年1月,长征五号遥四火箭大推力氢氧发动机顺利完成了总装出厂前的最后一项验证,标志着这台发动机性能达到预定要求,即将转入火箭总装阶段。

针对火星探测器的测控系统,是一种基于现有的航天测控网和深空测控网,包括北京航天飞行控制中心、佳木斯66米口径天线测控站等,对火星探测器进行状态监视、轨道测量、飞行控制、在轨管理和应急处置等的系统。2020年3月,北京航天飞行控制中心完成火星探测任务无线联试,充分验证了探测器与地面系统的接口匹配性和一致性,对各类方案、技术状态、软硬件系统进行了全面测试,为任务顺利开展打下了坚实基础。

中国文昌航天发射场也正积极备战中2020年5月5日,长征五号B运载火箭首次飞行任务发射场区指挥部指挥长张学宇表示,中国文昌航天发射场已经具备了高密度发射实战能力、高中低轨空间投送能力和任务并行测试发射能力。当前,发射场系统将持续做好火星探测、嫦娥五号以及后续空间站建设阶段飞行任务等重大航天发射任务的组织实施,坚决夺取疫情防控和航天发射任务“双胜利”。

地面应用系统整体吊装完成,备受瞩目。2020年4月25日,由中国科学院国家天文台承建的首次火星探测工程地面应用系统,在天津成功实施完成70米天线反射体的整体吊装,中国首次火星探测工程副总设计师兼地面应用系统总指挥李春来表示,70米天线今年10月能完全具备火星探测的数据接收能力。

目前,探测任务计划正在有条不紊地进行,相关工作人员正加班加点,为即将到来的“大考”做准备。

难点众多,挑战与机遇并存

根据火星与地球的运动关系,再结合实际,考虑到当前运载火箭的能力,就会发现每隔26个月才有一次有利的火星探测器的发射机会。

今年是全球火星探测的爆发期。据了解美国、阿联酋也计划于今年发射探测器,而此前同样有此计划的欧俄联合火星探测任务因疫情等原因推迟到2022年。

据统计,至今全球火星探测成功率大约为40%,原因在于火星探测工程难点众多。

张伟表示,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。

“再者,探测器从地球飞往火星需要200余天,漫漫长路需要有可靠的通信。”张伟告诉科技日报记者,除此之外,在一定体积和重量约束的前提下,火星探测器还要充分提高能源的利用率,包括高效多结太阳能电池技术、高效蓄电池技术,以及能量密度高、寿命长的核电源等。

由此看来,此次我国同时开展“绕”“落”“巡”探测目标,其难度之高不言而喻。这不畏艰难、勇于挑战的底气,源自我国深空探测技术的飞速发展,源自无数航天科技工作者的不懈努力!

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