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已飞行一个月 “天问一号”还要连闯七大难关

2020-09-13  Դ:  :涟水新闻中心

在茫茫天空中已飞行一个月 距离地球超1000万公里

“天问一号”还要连闯七大难关

8月25日22时45分,我国首次火星探测“天问一号”任务探测器已在茫茫太空中飞行了1月余,距离地球超1000万公里,刷新了中国航天深空探测里程的新纪录。“天问一号”的火星之旅还很长,它还将面临哪些风险点,科研人员都有哪些保障技术和措施?近日,航天领域相关专家和研制单位接受了本报记者采访,对“天问一号”任务探测器的奔火旅程进行了详细解读。

踩准26个月一遇的“探火窗口”

火星是太阳系中与地球最为相似的行星,它的一天是24.6小时,也有四季变化,有大气。虽然火星表面平均气温只有零下63度,但夏天阳光直射的区域,气温能够上升到20摄氏度,尤其是在火星赤道,极端温度可以达到30摄氏度。正因为火星上的环境接近地球,这也为人类移民火星创造了条件,所以火星是目前人类除地球以外研究程度最高的一个行星。用空间探测器探测火星,几乎贯穿整个人类的航天史。

“天问一号”任务火星探测器升空前后,阿联酋和美国也发射了各自的火星探测器。为何大家都纷纷赶着7月下旬到8月上旬这个时间点呢?航天科普专家庞之浩告诉记者,因为这是26个月才轮到一次的“探火窗口”时间。

庞之浩介绍,地球和火星都围绕着太阳公转,这好比它们在田径场“赛跑”。地球在里圈,跑得快,365天跑一圈;火星在外圈,跑得慢,687天跑一圈。地球和火星在各自“奔跑”时,最近相距5500万公里,最远相距可达4亿公里。距离相差如此悬殊,人类肯定要在两位“邻居”相近的时候送出探测器,以节省燃料。这个“最近”时间点,每26个月才会轮到一次。

不过,这个“最近”时间点是在今年九十月份。那大家为何选择在七八月份发射探测器呢?庞之浩说,这也是因为火星和地球在内外圈“跑步”的关系。如果探测器在两颗行星最近的时候升空,地球比火星“跑得”快,探测器升空后不久就跑到火星前面去了,无法与火星就近相会。

因此必须要巧妙利用地球和火星的公转位置,提前设计探测器的发射轨道。当火星位于地球前方约44°时,人类发射探测器,探测器可以充分利用地球的公转“跑步”速度,追上火星,然后被火星引力捕获,最终抵达目的地。这条神奇的轨道被称为霍曼轨道。按照霍曼轨道的运行规律,探测器七八月份升空,这样正好可以赶上九十月份地火距离最近时“偶遇”火星。

“探火之旅”后续七大难关步步惊心

中国航天科技集团五院介绍,国际上对于火星的探测,起步于20世纪60年代,截至今年6月底共发射了44个火星探测器,但任务成功概率只有50%左右。

庞之浩说,成功实现火星探测,需要渡过八大难关。目前“天问一号”任务探测器已经顺利渡过第一道“发射”难关,接下来还有七道关口,可谓是步步惊心。

■通信难关  目前“天问一号”任务探测器已距离地球1000多万公里,并且依然在以每天约30万公里的速度远离地球,信号强度与距离的平方成反比,这意味着,未来传回地球的探测器信号将越发微弱,过去很多探测器就因此失联了。

■控制难关 由于探测器距离地球遥远,测控信号延时将越来越长。到最后着陆阶段,地火之间的信号传输将长达20多分钟。这需要探测器有很强的自主工作性能,不能什么都靠地球团队来遥控。尤其体现在变轨、姿态调整方面,需要根据提前注入的数据自主开展变轨,因为每秒1米的延时误差,到火星附近就会产生10公里左右的位置误差,“差之毫厘”就有可能“谬以千里”。

■能源难关“天问一号”任务火星探测器离地球越来越远,离太阳也越来越远,受到太阳辐射强度大大减弱,这就要求探测器的太阳能电池阵较大,且有很高的光电转化效率,来提供足够的能源。

■环境难关 火星探测器暴露在宇宙环境中,受损风险大增。因此“天问一号”任务探测器在飞行中需要提前规划路线,避开太阳风暴强的时候,同时采用防辐射的器件和辐射屏蔽措施。

■入轨难关 探测器在切入火星轨道过程中,要选择适当的切入距离,以便被火星引力捕获。探测器进入火星轨道时“刹车”的力度大小、时间早晚、进入角度都会影响引力捕获的效果。稍有不慎,探测器就会“滑出”火星轨道,或撞到火星上。

■着陆难关 火星大气稀薄,高速着陆的探测器要经历恐怖的7分钟,稍有不慎就会被烧毁或者摔毁。比如2016年发射的欧洲火星探测器,由于发动机提前1秒钟关机,最后“硬着陆”拍在了火星表面上。庞之浩说,有人称在火星着陆的难度,相当于从巴黎打一个高尔夫球,正好落在东京的某个洞里,这毫不夸张。

■工作难关 探测器着陆以后也不是万事大吉。火星环境复杂恶劣,尤其是沙尘暴非常厉害,风力可达地球12级台风的6倍,时间长达三个月到半年,沙尘遮天蔽日,对探测器杀伤力极大。另外火星的温度比较低,对探测器的着陆器、火星车的温控系统也是巨大的考验。

多次轨道修正确保万无一失

截至8月25日22时45分,“天问一号”任务火星探测器距离地球突破1000万公里,探测器飞行正常。在地面,一大批科研人员全力以赴,保障“天问”顺利奔向火星。

“天问一号”任务探测器的火星之旅主要包括6个飞行阶段:发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段。目前探测器处于地火转移段,需要飞行大约6.5个月。中国航天科技集团五院火星探测器总体主任设计师王闯在接受媒体采访时表示,团队一直在密切关注探测器的健康状况,会定期对其进行健康检查。

记者了解到,为确保“天问一号”在预定时间准确与火星交会,探测器在地火转移段需要4至5次轨道中途修正和1次深空机动。8月2日,“天问一号”完成第一次中途修正,后续拟于9月份进行第二次轨道修正。尤其是深空机动,是一个控制量较大的轨控动作。深空机动后探测器才算在真正意义上飞向火星,因此更为重要,难度也更大。

当“天问一号”经历亿万公里长途跋涉来到火星时,它还将经历着陆阶段“恐怖7分钟”的考验:探测器高速进入时,会与大气层剧烈摩擦,使得表面温度急剧升高,就如同一颗流星一样。如果不进行有效防护,探测器将烧毁在大气层中。

为此,中国航天科技集团一院航天材料及工艺研究所的专家们研制出3种高科技材料,它们将协同“作战”,尽全力守护探测器安全着陆火星。

探测器的着陆方式和地点也有讲究。国家航天局中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰之前就曾表示,“天问一号”任务火星探测器明年2月份左右到达火星的时候,不会直接降落火星表面,而是会进行将近两个半月的环绕飞行,对着陆区进行初步探查,在气候条件好的时候再实施着陆。因为火星北半球平原相对更多一些,所以“天问一号”任务火星探测器选择落在北半球的乌托邦平原。

路其漫漫,积跬致远。“天问一号”正怀着梦想与期待,在茫茫宇宙中一往无前,奔向神秘的红色星球——火星!

本报记者 张航 【编辑:苏亦瑜】

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