天問一號(hào)入軌火星成功 中國火星車“先發(fā)后降”

我國首次火星探測任務(wù) “天問一號(hào)”探測器實(shí)施火星捕獲制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作約 15 分鐘后，探測器順利進(jìn)入近火點(diǎn)高度約 400 千米、周期約 10 個(gè)地球日、傾角約 10º 的大橢圓環(huán)火軌道，成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)此次任務(wù) “繞、著、巡”目標(biāo)的第一步，成功開啟環(huán)繞火星模式。

經(jīng)過長達(dá) 202 天的漫長飛行，“天問一號(hào)”成功完成了地月合照、探測器 “自拍”、四次中途修正、深空機(jī)動(dòng)、載荷自檢、近火制動(dòng)(俗稱 “剎車”)等工作，按照計(jì)劃將于 5 月登陸火星。

此次 “天問一號(hào)”近火制動(dòng)成功為接下來的著陸奠定了基礎(chǔ)?；鹦牵覀儊砹?

為何中國火星車 “先發(fā)后降”?

縱觀人類的航天史，人們似乎一直對(duì)火星、月球 “情有獨(dú)鐘”。全球已經(jīng)有了 40 多次火星探測活動(dòng)，但成功和部分成功的任務(wù)僅有 22 次，成功率大約 40%。因此，火星有著 “航天器墳場”之說。

但是火星對(duì)人類的誘惑太大了。

2010 年 8 月，8 位院士聯(lián)名向國家建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測的綜合論證。為此，國家國防科技工業(yè)局立即組織專家開展了發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施方案論證。

中國國家航天局探月與航天工程中心深空探測總體部部長耿言曾撰文寫道，首次火星探測是深空探測的起點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)施方案經(jīng)過三輪迭代和深化，在 2016 年 1 月正式立項(xiàng)實(shí)施。

2020 年 “中國航天日”啟動(dòng)儀式上，備受關(guān)注的中國首次火星探測任命被正式宣布命名為 “天問一號(hào)”。

根據(jù)計(jì)劃，我國首次的火星探測任務(wù)非常重，任務(wù)由軌道器、著陸器、巡視器三個(gè)部分組成，目標(biāo)是通過一次發(fā)射任務(wù)，完成繞、落、巡這前三個(gè)步驟。

2020 年 7 月 23 日我國發(fā)射了 “天問一號(hào)”火星探測器，經(jīng)過繞、落、巡三個(gè)步驟之后，預(yù)計(jì) 5 月份抵達(dá)火星。

其實(shí)，中國的 “天問一號(hào)”火星探測器發(fā)射前后，也有兩個(gè)國家發(fā)射了火星探測器：7 月 20 日，阿聯(lián)酋的 “希望號(hào)”由日本火箭發(fā)射，2 月 10 日(00：08)成功插入火星捕獲軌道;7 月 30 日，美國的 “毅力號(hào)”也成功發(fā)射，預(yù)計(jì) 2 月 18 日抵達(dá)火星軌道。

根據(jù)媒體報(bào)道，阿聯(lián)酋的 “希望號(hào)”歷時(shí) 7 個(gè)月，跨越 6000 萬公里、飛行 4.935 億公里，于北京時(shí)間 2021 年 2 月 9 日 23:30，開啟剎車減速模式，38 分鐘后，即北京時(shí)間 2 月 10 日 00:08，希望號(hào)成功插入大橢圓火星捕獲軌道。這意味著阿聯(lián)酋成為繼蘇聯(lián)、美國、歐空局、印度之后第五個(gè)成功部署探火任務(wù)的國家隊(duì)，中國則成為第六個(gè)到達(dá)火星的國家。

為何中國的 “天問一號(hào)”先于美國的 “毅力號(hào)”發(fā)射，但是卻晚于對(duì)方抵達(dá)火星?為何 “天問一號(hào)”還需要環(huán)繞火星近 3 個(gè)月，在 5 月中旬才能登陸火星?

據(jù)了解，之所以產(chǎn)生這樣的差異，首先是因?yàn)?“天問一號(hào)”探測器和 “毅力號(hào)”探測器的任務(wù)不同。中國的 “天問一號(hào)”需要一次完成環(huán)繞火星、著陸火星、巡視火星三大步，意味著火星探測器在進(jìn)入火星后需要環(huán)繞火星運(yùn)行一段時(shí)間，這是需要一定的時(shí)間的。

而 “毅力號(hào)”任務(wù)較為簡單，就是登陸火星，然后展開巡視，不需要花時(shí)間環(huán)繞火星飛行。

其次，中國是首次對(duì)火星探測，并且首次發(fā)射就要完成 “繞落巡”這三個(gè)高難度操作，需要謹(jǐn)慎小心。在降落之前，可能還會(huì)出現(xiàn)很多新情況，這些都是之前的模擬實(shí)現(xiàn)沒有出現(xiàn)過的，都需要技術(shù)人員們做足分析。

在中國航天科技集團(tuán)五院深空探測和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士葉培建看來，我國首次火星探測任務(wù)實(shí)為 “彎道超車”。他在接受媒體采訪時(shí)曾表示，此次我國火星探測環(huán)繞、著陸、巡視計(jì)劃如果能夠一步完成，這一跨越式方案將成為全球首次。

為奔向火星，天問一號(hào)有多努力?

正如前文介紹，“天問一號(hào)”是中國的首次探火，而且首次就需要完成許多高難度動(dòng)作，這意味著背后有著更高的挑戰(zhàn)和更大的風(fēng)險(xiǎn)，國際鮮有先例。

為了奔向火星，“天問一號(hào)”需要闖過多少關(guān)?

首先，是將火星探測器送上太空的火箭。

據(jù)了解，“天問一號(hào)”搭載的是長征五號(hào)火箭，是我國最大運(yùn)力的運(yùn)載火箭，廣大網(wǎng)友愛稱其為大火箭 “胖五”。2016 年長征五號(hào)運(yùn)載火箭首飛成功，截止目前，總共發(fā)射了三次，失敗一次。

相比于月球，火星距離地球更加遙遠(yuǎn)，而且火星和地球兩者的距離會(huì)不斷的變化：地球和火星位于太陽兩側(cè)時(shí)最遠(yuǎn)距離大約 4 億公里，而位于太陽同側(cè)最近時(shí)有 5460 萬公里遠(yuǎn)(是月球的 150 倍遠(yuǎn))。

“天問一號(hào)”探測器奔赴火星，并不是走直線，而是通過火箭的運(yùn)力將探測器送入橢圓形軌道，在這個(gè)過程中將一直處于高速飛行狀態(tài)，需要 “長途奔襲”10 個(gè)月。

目前來看，“天問一號(hào)”已經(jīng)完美的完成了這一動(dòng)作。成功完成了地月合照、探測器 “自拍”、四次中途修正、深空機(jī)動(dòng)、載荷自檢等工作。

2021 年 2 月 10 日，“天問一號(hào)”探測器完成近火制動(dòng)，距離火星又近了一步。

然而，接下來的一步才是 “天問一號(hào)”探測器成功的關(guān)鍵，也是最具挑戰(zhàn)的環(huán)節(jié)。

探測器達(dá)到火星附近后，需要被火星引力俘獲，相比地球而言，火星只是個(gè)小不點(diǎn)，質(zhì)量僅有地球的 10.7 % ，引力影范圍很小，這要求探測器必須精準(zhǔn)切入環(huán)繞火星軌道，然后再開始執(zhí)行著陸任務(wù)。

“火星探測最大的難點(diǎn)在于’恐怖 7 分鐘’，在進(jìn)入、下降與著陸過程中，要在 7 分鐘內(nèi)將探測器的時(shí)速從 2 萬千米降低到零。這需要融合多種減速手段才能實(shí)現(xiàn)，包括氣動(dòng)外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來保證。”中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉曾對(duì)《科技日?qǐng)?bào)》表示。

據(jù)了解，在著陸前，探測器需要先將速度降下來，從 4.8 公里 / 秒減速到 460 米 / 秒，相當(dāng)于先來一個(gè)急剎車;接著，探測器打開降落傘，用 90 秒的時(shí)間將速度再降到 95 米 / 秒;最后，進(jìn)入 “著陸緩沖段”，這會(huì)兒探測器需要懸停避障，對(duì)火星表面進(jìn)行觀察，看一下地面有沒有坑、大的石頭，保證落地安全性。

“目前國際上主要有兩種減速方式。我國根據(jù)探月工程中的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，將通過 4 個(gè)階段逐步減速，最終使探測器平穩(wěn)到達(dá)火星表面。”中國科學(xué)院院士、航天科技集團(tuán)科技委主任包為民曾向媒體透露，第一階段為氣動(dòng)減速，第二階段開降落傘，第三階段動(dòng)力減速開反推，第四階段懸停避障;著陸器在火星表面軟著陸成功后將釋放火星車。

登陸火星是最具挑戰(zhàn)之一，由于火星擁有大氣層，要防止著陸器在下降過程中變得過熱;而且僅憑落傘無法使著陸器減速，還需要減速火箭。在此前 18 次火星著陸任務(wù)中，僅有 10 次取得了成功。

在成功著陸之后，探測車將進(jìn)行 “拍照留念”、探測物質(zhì)和元素、探測環(huán)境和偵測火星淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及探測火星氣象等。

依照計(jì)劃，火星探測器壽命只有短短 90 個(gè)火星日，火星日比地球一天略長，為 24 小時(shí) 40 分鐘，也就是三個(gè)月的時(shí)間。

至此，“天問一號(hào)”火星探測器即可完成其使命。

火星：人類 “第二家園”

雖然登陸火星是如此艱難，但依然未能阻止人類探索的腳步。為何?

作為太陽系的行星之一，火星與地球在環(huán)境等方面的相似性，使得人們對(duì)火星探索一直抱有濃厚興趣。

專家表示，火星不僅有大氣，也有適宜的溫度，和地球也有著相似的自轉(zhuǎn)周期。研究火星可以給人類帶來很多啟示，極具價(jià)值的基礎(chǔ)研究。

國外媒體曾經(jīng)發(fā)表文章稱，科學(xué)家在火星南極冰蓋下發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水存在的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)更是激起了人們對(duì)火星的探索熱情。

“火星是太陽系內(nèi)與地球特點(diǎn)最為接近的行星，是人類未來移民的首選地。”張偉接受媒體采訪時(shí)表示。

這意味著，火星將是人類的 “第二家園”。科學(xué)家甚至都已經(jīng)提出了火星改造方案。

此次，除了中國的 “天問一號(hào)”探測器之外，美國的 “毅力號(hào)”火星車和阿聯(lián)酋的 “希望”火星探測器，在定于今年 7 月份發(fā)射時(shí)，而原定于今年 “探火”的歐洲與俄羅斯合作已宣布推遲到 2022 年。

為何都選擇了 2020 年 7 月份發(fā)射?

據(jù)了解，每隔兩年，全球都會(huì)迎來一次火星探測高潮，原因在于地球與火星位置的關(guān)系，每 26 個(gè)月火星會(huì)有一次距離地球最近的機(jī)會(huì)，距離只有 5500 萬公里，這也是發(fā)射火星探測器的最佳時(shí)間窗口。

此時(shí)實(shí)施火星探測，探測器飛行的路線最短，最省燃料。如果錯(cuò)過此次發(fā)射，就要在等 26 個(gè)月，下次發(fā)射窗口要等到 2022 年 9 月。

移民火星還要多久?

既然火星是人類孜孜不倦追求的 “第二家園”，何時(shí)人類才能夠移民火星呢?

商業(yè)火箭公司 SpaceX 的創(chuàng)始人馬斯克曾經(jīng)提出個(gè)火星移民計(jì)劃：希望在火星建立社區(qū)，他還喊出如果把一個(gè)人的移居成本控制在 20 萬美元左右，預(yù)計(jì)地球上至少有 2 萬人愿意移民外星球，因?yàn)檫@比買房還便宜。

“北斗女神”徐穎在接受網(wǎng)易科技采訪時(shí)曾表示，火星是我們的鄰居，火星也是我們離太空最近的一個(gè)夢(mèng)想。但是，如果人類真的想移民到火星上來生活的話，還有很多事情要做。比如解決物理層的問題，解決火星環(huán)境問題，包括火星大氣問題。

“其實(shí)已經(jīng)有科學(xué)家提出了火星移民的整體改造方案。大概多少年可以對(duì)火星改造完畢，移民火星，我覺得這個(gè)單位要用千年為單位計(jì)量。”徐穎認(rèn)為。

雨果獎(jiǎng)獲得者、科幻作家郝景芳表示，在可以預(yù)見的未來，人類即使移民火星，也一定是在封閉環(huán)境下有限資源條件下的生存。

這就意味著火星生活不可能是非常自由的，一定是將所有人束縛在一個(gè)有限的空間里。這樣才能保證可呼吸和空氣，可分配的食物，能源和最高效的物資調(diào)配方式。

“所以，這樣營造出來的生存空間和社會(huì)，和我們地球上極大豐富的世界資源非常不一樣，也會(huì)非常經(jīng)濟(jì)有效的方式去運(yùn)行，火星上的社會(huì)幾乎肯定是科學(xué)家工程師和高級(jí)知識(shí)分子創(chuàng)造出來的社會(huì)，也一定是一個(gè)非常信息化的社會(huì)。”郝景芳認(rèn)為。

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