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即將啟程!“天問一號”要闖的三大關卡都是啥?

出品:科普中國

製作:長征號

監製:中國科學院計算機網絡信息中心

去火星究竟有多難?

截至阿聯酋“希望號”火星探測器發射之前,人類以火星為目標開展航天器發射任務46次,其中2次任務的終點站不是火星(“黎明號”小行星探測器與“羅塞塔號”彗星探測器),10次搭載了一個以上的探測器(例如軌道器+著陸器、雙火星探測器等),在這46次發射中,連地球引力範圍都沒出的失敗案例就有11次,在成功前往火星的35次任務中,有5次“中道崩殂”,在前往火星的路上失聯。

△長五遙四火箭大推力氫氧發動機校準試車(圖片來源:國家航天局)

所以我們能看到,在深空探測的過程中,探測器發射成功僅僅是探測任務的“萬裡長征第一步”而已,相當於剛剛出了新手村。

那麽,我們的“天問一號”上路之後要克服哪些困難?

眾所周知,“天問一號”從地球飛往火星,大約需要200余天,近七個月。如果到時它能順利被火星捕獲,還僅僅是過了第一關,後面還有相當多的挑戰在等待著它:包括進入環火橢圓軌道、兩器分離、著陸器平安著陸、火星車登上火星等等,只要任何一環出了問題,都將導致任務的失敗或者部分失敗。可以說,前往火星的漫漫征途,險象環生。

第一關:捕獲!火星快抓住我

“天問一號”將作為我國第二個進入環太陽軌道(第一個是“嫦娥二號”)的深空探測器直飛火星,想要讓它能安然被火星捕獲,就需要分別克服幾個難點:

1.捕獲問題。火星的質量比較小,其引力捕獲範圍也比較小,想要被火星捕獲,就需要極其精確的軌道才能實現。不過按照此前“北斗”系列衛星高超的發射精度來看(同步轉移軌道遠地點精度2公里,相當於近地點速度僅有每秒幾厘米的差異),這顯然不是問題;

2.通訊問題。火星與地球的距離在5000萬公里到4億公里不等,考慮到被火星捕獲的時候兩個星球之間的相位,顯然,比起“嫦娥”系列任務38萬公里的距離而言,是數百倍的差距。如此深遠的距離導致探測器天線發出的信號將變得十分微弱,因此需要地面構建深空探測網絡(Deep Space Network, DSN)。

我國的DSN已經初步建成,而且證明了其能力:幾年前我國利用這套系統跟蹤飛出地月系的“嫦娥二號”,直到8000萬公里的深空,依然能夠與之通訊;如果把標準放寬一點,僅僅是追蹤航天器的話,2015年,我國研究團隊就已經測量到了47億千米外的“新地平線號”探測器。同時,隨著今年70米口徑深空天線在天津落成,以及與歐空局的深度合作,我國深空探測通信的問題顯然也已得到解決。

△火星探測器飛行效果圖(圖片來源:國家航天局)

第二關:製動!進入環火星軌道

“天問一號”被火星捕獲之後,為了能夠進入環火星軌道,需要其能夠在近火星點進行製動,進入一個環繞火星的橢圓軌道且長期保持運行。

在被火星引力捕獲的30顆探測器中,除去3次飛掠任務與7次不進入軌道直接進入火星大氣層著陸的任務之外,僅有3顆衛星進入環火軌道失敗,這其中既有探測器本身的因素,也有人為的因素。在此階段的難點主要在於

1.指令注入問題。在進入環火軌道的階段,地球與火星的通信延遲在十幾分鐘,這就意味著我們無法通過人工即時操作,只能預先注入指令的辦法來控制探測器。不過這個問題對於一個已經發射了數百顆人造衛星的國家而言不是難事,這與日常的發射任務的控制原理本身就是一樣的。只要不發生上世紀末美國的“火星氣候探測者”探測器因為控制系統採用公製部門,而地面人員注入了英製數據導致其直接進入火星大氣焚毀的低級錯誤,那麽這就不是問題。

2.器件壽命問題。我們注意到,之前有兩次失敗任務是由器件損壞引起的,不過這兩次失敗的任務都發生在上世紀七十年代,隨著人類技術的不斷提升,這個問題也將在很大程度上得到解決,至少21世紀以來進入火星軌道的探測器,它們都在預定軌道上運行得好好的。

第三關:下降!死亡七分鐘

在進入火星軌道之後,“天問一號”需要花幾個月的時間對火星表面進行測繪。儘管美國的“火星軌道勘測者”已經獲取了亞米級的火星表面圖像,但部分區域仍然沒有覆蓋到位,而且火星變化無常的氣象也容易讓火星的地表存在一定的變化,因此需要我們自己動手獲取一手信息。等到我們獲取合適的落區圖像之後,“天問一號”的著陸器將與軌道器分離,進入下降階段。

△火星表面崎嶇不平(圖片來源:NASA)

下降階段的時長往往在幾分鐘到數小時不等,美國人喜歡稱之為“死亡七分鐘”,這是由於他們的著陸器大部分跳過了進入環火軌道步驟,直接高速進入火星大氣層。而“天問一號”採用類似於上世紀美國“海盜號”探測器的方案,從火星的大橢圓軌道進入大氣層,速度更為緩慢一些,在火星大氣層中的飛行時間會比七分鐘長一些,技術難度相對要低一些。因此儘管我國一次性實現“繞落巡”的設置比較激進,不過難度仍然在可以接受的範圍內。

但這絕不意味著登陸火星的任務就如同遊戲一般簡單。在此前15次火星著陸任務中,成功完成軟著陸任務的有12次,但真正能實現有效數據傳輸的僅有8次,且這8位幸運兒都是美國研製的探測器。“天問一號”想要打破“美國魔咒”,圓滿完成著陸任務,一次性實現“落、巡”兩步,同樣需要克服幾個難點:

1.自主著陸問題。儘管“嫦娥三號”與“嫦娥四號”已經成功完成了地外天體的自動著陸任務,但要注意的是,著陸月球是全程使用反衝發動機的,影響因素少;而且地月之間的通訊延時僅有一秒多,一旦在某些過程發生問題(例如懸停避障階段),人工操控也能予以挽回。

而火星的第一宇宙速度相對月球而言較高,無法實現全程動力下降;雖然可以利用火星大氣進行氣動減速,輔以降落傘,可以較大量地削減下降階段需要的燃料,然而火星大氣過於稀薄,即便大面積展開降落傘,其末速度還是較大,因此仍然需要利用發動機反衝下降;且地火通訊延遲高,人工無法乾預,此外還有火星近地面空氣的擾動問題等等,因此一切複雜的操作只能靠著陸器自己完成,這對於自動控制的要求無疑上了一層台階,是下降段任務的最大難點之一。

2.著陸器元器件可靠性問題。除了直接因為控制系統失靈的問題之外,著陸過程中產生的震動,火星獨特的環境也將令元器件失效的可能性大大增加。儘管現在航天器件的可靠性都有了質的提升,令近年來的火星任務成功率不斷走高,但相關問題仍然存在——例如降落傘或者電池板會不會卡死,電池板會不會因為火星揚塵而導致失效等等,這些核心問題關乎任務能否順利完成。

△我國火星探測器示意圖(圖片來源:國家航天局)

好在這些難點在地面上都一一進行了演示驗證,特別是去年11月的模擬火星重力的著陸器動力下降實驗,向全世界展示了我國在登陸火星上的充足準備。

△2019年11月,我國火星探測任務著陸器懸停避障試驗 馬俊/攝

寫在最後

總的來看,儘管火星任務的失敗率比較高,但隨著時間的推移,其成功率也在不斷攀升。進入21世紀以來,12次火星探測任務除了1次發射失敗,2次著陸失敗之外,都獲得了成功。特別是火星軌道器,只要發射成功,就能實現長期運行。

因此筆者有充分的信心認為,“天問一號”將能夠順利進入火星軌道,開展下一階段的任務,最終實現著陸火星,開展巡視探測的目標。

我們200天以後再見!

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