共赴一场“逐火”盛宴

2020-09-03 01:25
发明与创新 2020年29期
关键词:陈杰火星探测器

火星,是太阳系由内往外数的第四颗行星,也被科学家们认为是唯一可能会适合人类移民移居的星球。从天文学的角度看,在很早之前火星是处在宜居带中的,这也就说明火星曾经出现过生命。

7月23日13时25分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务“天问一号”探测器,成功将探测器送入预定轨道,开启火星探测之旅,迈出了我国行星探测第一步。除了我国,世界上还有不少国家也已启动火星探测任务,美国、阿联酋将计划于近期发射火星探测器。

探“火”迎来窗口期

作为地球的邻居,火星并不算是“近邻”。地球赤道周长约为4万千米,光速仅需约0.13秒便可环游。但地球与火星的距离在5600万~4亿千米之间,这意味着就连光速单程可能都需要3~22分钟。因此,探测火星需要选择它与地球距离较近的时机。由于地球和火星都围着太阳公转,怎样才能有最近的距离呢?

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩形象地比喻道:“这就像田径赛跑,地球在里圈,绕太阳转一圈约是365天,而火星在外圈,绕太阳转一圈约是687天。地球绕太阳转的速度快,火星绕太阳转的速度慢。如果太阳在中间,火星和地球在两边的时候,它们的最远距离能达到4亿千米以上,因此最好是在地球和火星距离比较近的时候发射,这样就能让人类“探火”之旅的“赶路”时间更短、所携燃料更少、成本更加低廉。

地球、火星和太阳排成一条线的时候是最近的距离,约为5600万千米。 然而,即便是这最短的飞行距离,探测器仍要经历一场“长途旅行”。

中科院空间应用工程与技术中心研究员张伟介绍,以我国此次发射的火星探测器为例,需要飞行200余天才能到达火星。

探测器“赶路”期间,地球和火星始终相对运动着。因此,探测器飞行轨道设计里头藏着大学问。

“火星探测器往往沿着地火之间的霍曼转移轨道飞行。” 中科院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究员刘勇说。

7月23日,长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,实施我国首次火星探测任务(天问一号任务)(新华社 才扬 摄)

霍曼转移轨道由德国物理学家瓦尔特·霍曼提出,是一种变换航天器轨道方法的统称,途中只需两次引擎推进,相对节省燃料。

刘勇指出,火星探测器发射升空后,先在地球附近加速,进入椭圆形的霍曼转移轨道惯性飞行,不需耗费自身所携燃料;等到达火星附近“刹车”减速,最终被火星捕获。这就要求探测器发射时,火星和地球的相对位置必须提前计算好,使得探测器的霍曼转移轨道能与火星公转轨道在某一时刻相切。两轨道的切点就是探测器将被火星轨道捕获的空间位置,这一特定时刻就是探测器真正投入火星“怀抱”的时刻。

结合地球、火星的公转周期,以及轨道设计的相关内容,科学家通过详细周密的计算得出,在地球上每隔约26个月是发射火星探测器的最好时机,窗口期由此而来。

如果错过今年7到8月这次窗口期,下次火星探测的好时机只能等到2022年。

对中国航天的一项全新挑战

目前我国的火星探测计划还需克服哪些困难?

中科院院士、中国航天科技集团科技委主任包为民说:“我们用长征五号火箭,也就是新一代运载火箭里面最大个的进行发射。我们的火星探测器发射升空以后,在明年2月份将到达火星的引力磁场以内,然后经过火星的捕获到达火星。”

据介绍,探测火星,需要突破深空超远距离测控通信、火星制动捕获、在轨长期自主管理、稀薄大气减速与安全着陆等一系列核心关键技术。那时,地球与火星距离约5600万千米,与地面测控站的往返“对话”会有较长延时,而且传递的“声音”将会非常微弱。因此,要实现如此远距离的有效通信,需要克服巨大的信号衰减、传输延时和外界干扰等因素,对中国航天而言是一项全新的挑战。

此外,火星探测器在到达环绕火星的轨道之后,将降落在火星表面。这个过程为七八分钟,这也是整个任务的难点所在。我国的火星探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成,着陆巡视器将在火星表面软着陆并释放火星车,在火星表面进行巡视勘测。由于火星探测器在奔火的途中一直处于高速飞行状态,所以在着陆之前需要先将速度降下来。我国根据探月工程中的技术经验作为积累,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。包为民表示:“从4.8千米/秒的速度减到火星着陆的地方进行悬停,这个过程要7到8分钟,在这个时间段里有4个减速段,第一个是气动减速段,就是把速度从4.8千米/秒减到460米/秒,用时290秒左右。”

这就好像先进行了一下急刹车,接下来探测器将打开降落伞,用90秒左右的时间将速度由460米/秒降到95米/秒,随后进入动力减速段,探测器的反推发动机点火开始工作,用80秒时间将速度减小到3.6米/秒。包为民说:“剩下的100米我们还有一个悬停、避障。这时速度已经很慢了,100米的时候进行悬停。100米已经比较低了,可以看一下地面有没有坑、大的石头,如果有我们就避开它,保证落地的安全性,不会翻车。”

去火星探究生命的起源

火星路远行艰,究竟是什么吸引着各国的科学家们,使多国耗费如此大的人力物力发射探测器?

蓝箭航天火箭研发中心总经理戴政认为,寻找火星是否存在或者曾经存在生命的证据、解答生命起源的问题和生命是否在宇宙中,是一种广泛存在的问题。同时,研究火星大气和地质等科学问题,对地球的环境变迁变化也有借鉴意义。

中国航天系统科学与工程研究院研究员陈杰则认为,火星探测是航天强国的重要标志,我国首次自主的火星探测任务成功实施可进一步缩短与美国、俄罗斯等在深空探测技术方面的差距,积累更多深空探测领域的经验,推动我国在行星探测、空间科学、空间技术等方面的发展,使我国跻身全球深空探测领先者行列。

陈杰介绍说,从探测目标上看,我国的“天问一号”要实现“绕、落、巡”三个目标,环绕火星探测、着陆火星并进行巡视探测;美国的探测器主要是“落、巡”两个目标;阿联酋则是“绕”一个目标,要实现火星环绕探测。“将‘绕、落、巡’三种任务结合在一起,在世界上属于首创。工程难度确实很大,但经过艰苦努力解决了大量工程难题后,我们有信心、有把握完成这次探测任务。”陈杰说。

据了解,到下一个火星探测窗口即2022年,欧盟与俄罗斯合作的“地外火星”任务将发射,去搜寻过去或现在(可能的)火星生命的生物特征。美国会发射火星样本返回计划,日本将发射火星卫星样本返回计划。更有意思的是,各国都已经开始长远计划并布局最终将人类送上火星的任务。

“这些任务都值得期待。人类探测火星的步伐一直在持续,还将继续持续下去。”陈杰说。

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