中国首个火星探测器发射升空!“天问一号”将挑战史无前例的深空任务

zxgcz888

2020 年 7 月 23 日 12 时 41 分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。

天问一号发射现场。图片来源：航空物语@微博

来源  环球科学、中国科普博览、学术头条等

此次发射的天问一号探测器，将由长征五号运载火箭送入地火转移轨道，将在飞行约 7 个月后抵达火星。经历火星捕获、火星停泊后，着陆巡视器将与环绕器分离，进入火星大气。着陆巡视器成功着陆后，火星车驶离着陆平台，搭载的科学载荷开机，开始火星表面巡视探测。



图片来源：CGTN

没有先例的挑战

通常来说，火星探测有三种方式：在轨道上绕火星飞行进行较远距离探测的环绕器，降落到火星表面，原地进行探测和实验的着陆器，以及能在火星上运动的巡视器（火星车）。

在“天问一号”中，我国计划在首次发射中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。即使我们有了一定的探月经验作为基础，但也面临着很大的挑战。

难度主要存在于在地火距离遥远以及对火星环境的不了解上。相比地月距离，地球与火星的距离非常遥远，最远时约为 4 亿千米，最近时也有约 5600 万千米。以我国这次将要发射的火星探测器为例，需要飞行 200 多天才能到达遥远的火星。这带来的首个挑战，就是在携带燃料有限的情况下，探测器如何能够飞越如此遥远的距离，这就需要研究者对探测器飞行轨道进行精密的设计。

根据计划，火星探测器会按照“霍曼转移轨道”飞行。在“天问一号”火星探测器发射升空后，会先在地球附近加速，进入霍曼转移轨道利用惯性保持飞行，惯性飞行过程中不需要消耗燃料。等到达火星轨道时，探测器会“刹车”降低速度，最终被火星捕获。这就是本次火星探测任务第一阶段的目标：环绕火星飞行。

若想成功进入霍曼转移轨道，对火箭的运载能力和入轨精度有很高的要求。月球探测器进入地月转移轨道所需的速度是 10.9 km/s，而火星探测器进入霍曼转移轨道的速度至少要达到第二宇宙速度（11.2 km/s）。因此，这次发射任务使用了新一代运载火箭中推力最大的“胖五”——长征五号运载火箭。在成功进入太空后，整流罩中的火星探测器会与火箭“星箭分离”，独自飞向火星，这段旅程大概需要 6~7 个月。如果一切顺利，探测器预计于明年 2 月左右到达火星引力势场内，切入火星轨道，被火星捕获。这个捕获的阶段非常关键：在切入火星轨道时，如果切入点离火星太近，探测器可能会坠毁；如果太远，探测器可能无法被引力捕获而掠过火星。



7月17日，长征五号遥四运载火箭完成垂直转运至发射区。（图片来源：国家航天局新闻宣传中心）

登上火星有多难

若能成功切入火星轨道，再经过多次调整，环绕器就可以进行环绕探测了。这时我们将迎来本次火星探测任务的第二个阶段，也是最大的难点——火星着陆。火星探测器需要将 4.8 km/s的超高速，减到火星着陆时的 0，这个过程只有 7 分钟左右，也被称为“恐怖7分钟”。着陆器何时开始减速进入火星大气、进入的姿态、进入的角度都需要精准的控制，然而问题在于，我们对于火星上的环境，尤其是大气状况的了解非常有限。再加上地火距离遥远，从地球发送到火星的单程无线电信号，单程延时为 20 分钟左右，难以依靠地球指挥着陆。

“天问一号”任务计划采用的减速方式将分为四个阶段进行。第一个阶段是气动减速段，探测器会踩下“急刹车”，在大约 290 秒内将速度从 4.8 km/s迅速降低到 460 m/s。接下来探测器将打开降落伞，在大约 90 秒后，速度会降到约 95 m/s。随后进入第三个阶段——动力减速段，探测器的反推发动机开始工作，在 80 秒内将速度降到 3.6 m/s以下。当探测器距离火星表面约 100 m高时，就进入了最后的着陆缓冲段，探测器准备开始悬停避障。此时探测器的速度已经很慢了，探测器会自主观察火星表面，快速计算出最佳着陆点。最终它将水平移动到该点上方，伸出“四条腿”，并在稳定着陆后展开舷梯释放火星车。



“天问一号”着陆器及巡视器（图片来源：CNSA）

全新的发现

火星是太阳系中与地球环境最为相似的行星，了解火星对研究地球早期历史和生命起源有着重要价值，也对人类拓展生存空间具有重要意义。如果“天问一号”探测任务成功完成，将为我们提供关于火星的大量全新信息。

例如，为了绘制火星的地质结构图，环绕器和火星车都配备了探地雷达。环绕器上的雷达可以“看透”几千米深的地层，而火星车上的雷达虽然看不到这么深，但分辨率却能达到厘米级。这或许能帮助我们了解火星地表以下的水冰分布。

而“天问一号”另一项激动人心的任务，是探测火星的磁场。目前有理论认为，火星曾拥有和地球类似的磁场。然而随着火星内核中熔融的铁逐渐冷却，它的磁场也逐渐减弱甚至消失。失去了地磁场的火星被暴露于太阳风和辐射下，并导致其失去了地表水和大气。火星的磁场究竟发生过怎样的变化？“天问一号”环绕器与火星车将为我们提供更多的证据。

除此之外，环绕器和火星车还将搭载矿物光谱仪、高能粒子分析仪、激光击穿光谱仪等多种仪器。这些设备将帮助远在地球的科学家研究火星岩石、土壤和大气的成分，更好地了解火星环境。

目前，全球共有四大火星探测器发射计划，分别是中国天问一号、美国毅力号、阿联酋希望号(由日本 H-2A 火箭发射)，以及欧盟及俄罗斯的罗莎琳德·富兰克林。

在 2020 这个火星探索年中，先行一步的是阿联酋的希望号。北京时间 2020 年 7 月 20 日凌晨 5 点 58 分，阿联酋首颗火星探测器“希望”号由日本运载火箭发射升空，发射地点位于日本的种子岛航天中心。而欧盟及俄罗斯的 ExoMars 2020 已经于三月中旬决定推迟到 2022 年发射，官网的名字也改为了 ExoMars2022，实锤成为“退群选手”。

“天问一号”将成为中国航天者向太空发问的第一步，也是中国航天走向深空的里程碑。

---

▽精彩回顾▽





点个“在看”，分享给更多的小伙伴