来自 科技 2020-11-02 10:54 的文章

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

10月28日,天问一号探测器顺利完成第3次轨道中途修正。在飞向火星的途中,天问一号为何要进行轨道中途修正?火星探测的难点在哪?距离成功降落火星,天问一号还要迈过几道关?

中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰近日接受中新社“中国焦点面对面”专访,对天问一号任务进行权威解读。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

访谈实录摘编如下:

中新社记者:10月28日天问一号顺利完成了第3次轨道中途修正,能否给我们解释一下什么是轨道中途修正?在飞向火星的途中,为什么要进行轨道中途修正?

刘彤杰:在火箭发射探测器时,探测器会有入轨偏差,在飞行控制过程中还会产生飞行控制偏差。这两个偏差如果日积月累起来,就会在空间上或时间上偏离和火星交汇的那一点。空间上,即轨道面上,如果和火星的位置没在一个面上,它就会飞离火星,不会被火星引力捕获。时间上,天问一号如果错过与火星交会的时间节点,也会擦肩而过,因此需要轨道中途修正。轨道中途修正的另外一个作用是检测一下探测器上的发动机,让它工作一下,避免在太空中不工作的状态过长。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰接受中新社“中国焦点面对面”专访。 中新社记者 蒋启明 摄

中新社记者:在第3次轨道中途修正之后,天问一号将会在当前的轨道飞行约4个月与火星交会。如果要成功着陆火星,天问一号还要迈过几道关?

刘彤杰:从7月23日发射,到现在已经飞了3个月左右,后续还要再飞将近4个月。从发射到火星引力捕获需要将近7个月时间,后续要经历至少三道关口才能圆满实现探测。

第一道难关,就是在火星引力范围之内近火捕获。既要让火星捕获非常精准,让探测器在火星引力范围之内进行制动,速度不要过大;又可以环绕起来,避免探测器飞出去或撞上火星。

第二道难关,在火星轨道上环绕2至3个月之后还要寻找一个非常好的小窗口,让它进入到火星大气。火星是有大气的,其大气的密度是地球大气的1%左右。它在减速过程中有大气减速、气动减速、降落伞减速,还有反推发动机减速,最后靠着陆腿着陆在火星表面,吸收撞击的能量,这个过程非常难。就像空间(返回)舱进入地球一样,它在大气减速的过程中会有8分钟左右的黑障(通信中断),其进入速度相当高,通信无法获得信号。由于距离相当远,从火星回传到地球控制地面站也有很大时延,不可能实现实时控制。所以,进入/减速/软着陆这个过程是靠(天问一号)自主完成一系列动作,不是靠地面控制。

第三道难关,软着陆在火星表面,工作还不算做完,还要把火星车释放到火星表面上,让它走起来并开展探测。火星车上6个科学仪器要发挥作用,难度也很大,因为我们对火星表面的环境认知还相当少。如果软着陆在火星表面上,落得不够平坦或姿势不够正,火星车怎么开下来呢?可以从轨道的前面下,也可以从后边下,就看当时落下去的姿态、地形等情况。

要圆满地完成火星探测任务,这三道难关是一定要闯过的。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰接受中新社“中国焦点面对面”专访。 中新社记者 蒋启明 摄

中新社记者:正如您所说,天问一号还要迈过三道难关才能成功着陆火星,这也恰好说明了火星探测的不容易。事实上,人类历史上曾经进行过40多次火星探测,但是成功率不足50%。您能否给我们解释一下火星探测的难点到底在哪儿?

刘彤杰:火星探测从上世纪60年代就已开始,那个时期由于对火星的认知还比较少,航天技术又在初创起步阶段,因此刚开始失败略多一些,但后来的失败和火星探测技术难度大有很大关系。比如,要有庞大的运载火箭把探测器运送到轨道上,让它能够环绕火星探测,甚至软着陆在火星表面。

火箭(方面)我们现在有长征五号火箭,这是第一步——实现大火箭的研制。我们历经多年攻克了很多技术难关。第二步,在设计探测器时还有发射窗口的问题。因为火星、地球离得近,每26个月才有一次机会,每一次机会有半个月到一个月左右的时间,而每天火箭发射探测器有30分钟左右的发射机会,这就是发射窗口。发射窗口非常局限,这就是它的又一大难度。

另外,火星最远距地球有4亿公里,大家都知道月亮距地球最远距离只有40万公里。这就使得深空测控通信上有延迟。当地球和火星距离达到4亿公里时,时延可达到20多分钟,从(地球)这边发个指令,火星上收到时已经过去20多分钟。这就带来一个问题,探测器自主探测能力一定要强,这是它另外一个难度。

还有一个难度是近火捕获,让火星把探测器捕获。另外,进入、减速和软着陆于火星表面的过程也非常难,这就是火星探测几大难点。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

中国国家航天局探月与航天工程中心副主任、中国首次火星探测任务新闻发言人刘彤杰接受中新社“中国焦点面对面”专访。 中新社记者 蒋启明 摄

中新社记者:到明年5月份,天问一号预计将会在火星着陆,天问一号将会选择在火星的哪个区域着陆呢?

刘彤杰:现在选择的地点是在火星北半球,国际上有着陆计划的火星探测任务,大多数选择在火星北半球。因为南半球全是山地,更加坑洼不平,北半球有平原。我们选择软着陆的地区正好是个平原,叫乌托邦平原,(着陆地点)在乌托邦平原南部。地质学家说这里很可能是一个古海洋所在地。

在古海洋和古陆地交界处,科学家认为该地有很高的科学价值,很有可能会取得意想不到的科学成果,这就是选择这个地方来进行软着陆、巡视探测的原因。

中新社记者:成功降落在乌托邦平原之后,天问一号会开展哪些科研探测任务?

刘彤杰:着陆在火星表面后,火星车即巡视器会开展科研探测。火星车上有6台仪器。比如,导航地形相机是两个功能复用,既可以给火星车导航,又可以看前面的地形地貌,从视觉上让科学家了解到前面是不是有更多探测价值。

(火星车上的)次表层雷达,可以探测浅层结构。火星表面气象测量仪可以测气温、气压、风速、风向。火星表面有大气,月球表面上没大气,(因此火星探测器和月球探测器的)仪器也不同。火星车还可以测磁场、表面物质成分,这都是科学家关心的内容。

环绕器上有中分辨率相机、高分辨率相机,对火星的表面形貌进行探测。环绕器上还有磁强计、矿物光谱分析仪、离子与中性粒子探测和能量粒子探测器。如果科学数据获取足够多,相信一定会产生有影响力的成果。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

资料图:2020年7月23日12时41分,中国在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。骆云飞 摄

中新社记者:我们也预祝中国的火星探测能够取得好的成果。今年阿联酋、中国和美国先后发射了三个火星探测器,掀开了人类火星探测新的篇章。这三个国家的火星探测计划有什么异同?侧重点分别在哪里?

刘彤杰:正是因为有发射窗口,所以这三个国家集中在今年7月份实施发射。其实之前还有欧空局和俄罗斯合作的ExoMars(火星探测)项目,但他们因为技术原因推迟了。

这三个探测器各有特点,阿联酋的“希望号”是一个环绕探测器,相当于火星的环绕卫星,它着重对火星大气进行探测研究。美国的“毅力号”是一个巡视器,相当于火星车,它是用悬吊的方式把火星车落在火星表面上。我们既有环绕火星的环绕器,还有(着陆于火星表面上的)火星车巡视探测,天地结合起来探测。但是三个任务各有千秋,毕竟每个国家的技术路线是不一样的。

中新社记者:您刚才提到天问一号任务将会通过一次任务完成“绕、着、巡”三大目标,这在全球应该还是第一次,如果任务能够成功,对中国航天来说意味着什么?

刘彤杰:首先我觉得开展深空探测、行星探测工程是人类探索精神的体现。如果我们首次火星探测任务圆满成功,这说明中国人在这方面有了长足进步,为人类和平利用太空作出更多贡献。比如,我们有能力探测包括火星在内的太阳系行星,有能力开展相关科研工作,取得一些原创成果;对太阳系演化、地球演化能得出进一步科学成果,其实也是为人类在地球生存提供更多知识。这是技术和伦理层面的作用。

这么难的科技工程,如果我们都能完成得很好,可以激发青少年对科学的热情,投身到国家建设中去,大家既可以仰望星空,又脚踏实地开展工作,激发大家的探测热情,尤其是年轻人。所以我们愿意到高校和中学去给他们做一些工程介绍。对老百姓来说,航天还是一个比较神秘的领域。

对我们而言,这就是我们的工作,只不过这个工作大家接触相对少一些,我们有责任让更多人了解到其中的过程、知识和精神,这样就可以为人类和平利用太空作更多贡献。无论从科技角度上,还是人才培养上,还是世界观的培养建立上都是有很大作用的。

天问一号“探火”还要迈过几道关?火星探测难在哪儿?

资料图:2020年10月1日,中国国家航天局发布中国首次火星探测任务天问一号探测器飞行图像,图上的五星红旗光彩夺目,呈现出鲜艳的中国红。这是中国天问一号探测器首次深空“自拍”。中新社发 中国国家航天局 供图

中新社记者:中国行星探测的第一站选择了火星,我们为什么要进行火星探测?

刘彤杰:为什么选火星探测?(这是因为)火星是类地行星,和地球环境有很多相似之处,国际上也选择火星作为探测重点。我们对火星也有很大的关注度,因此选择火星来探测。火星作为类地行星,有大气,表面也有形貌,我们来看看它的演化是不是地球演化的未来。

火星很可能以前存在过生命,但是现在它大气稀薄了,生命也不存在了。人类如果无限度地对地球开发破坏,地球会不会有朝一日也会发展成火星,这是科学家们提出过的问题。我们对火星有很大的好奇心,对探测火星也寄予很大希望,这是探测火星的主要原因。

中新社记者:天问一号迈出了中国行星探测的第一步,未来中国在深空探测领域还有哪些计划和安排呢?

刘彤杰:行星探测计划规划了4次任务,首次火星探测天问一号任务是第一次,已经发射实施了,目前其他任务正在论证中。第二次规划的是小行星探测任务,预计在2024年前后实施。此后还会有火星采样返回任务,这是在2030年前后。在2030年前后还有一次木星系及行星际穿越探测,即探测完木星和木卫4之后还要飞往更远的深空。