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天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?

發布日期: 2020-10-30
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天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?



“我們選擇軟著陸的地區正好是個平原,叫烏托邦平原。地質學家說,這里很可能是一個古海洋所在地。”



10月28日,天問一號探測器順利完成第3次軌道中途修正。在飛向火星的途中,天問一號為何要進行軌道中途修正?火星探測的難點在哪兒?距離成功降落火星,天問一號還要邁過幾道關?

中國新聞社、“中國的航天”聯合邀請了國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰接受“中國焦點面對面”專訪,對天問一號任務進行權威解讀。

訪談實錄摘編如下:
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中新社記者:10月28日天問一號順利完成了第3次軌道中途修正,能否給我們解釋一下什么是軌道中途修正?在飛向火星的途中,為什么要進行軌道中途修正?
  
劉彤杰:在火箭發射探測器時,探測器會有入軌偏差,在飛行控制過程中還會產生飛行控制偏差。這兩個偏差如果日積月累起來,就會在空間上或時間上偏離和火星交匯的那一點。空間上,即軌道面上,如果和火星的位置沒在一個面上,它就會飛離火星,不會被火星引力捕獲。時間上,天問一號如果錯過與火星交會的時間節點,也會擦肩而過,因此需要軌道中途修正。軌道中途修正的另外一個作用是檢測一下探測器上的發動機,讓它工作一下,避免在太空中不工作的狀態過長。

天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?

中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰接受中新社“中國焦點面對面”專訪。?中新社記者 蔣啟明 攝
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中新社記者:在第3次軌道中途修正之后,天問一號將會在當前的軌道飛行約4個月與火星交會。如果要成功著陸火星,天問一號還要邁過幾道關?
  
劉彤杰:從7月23日發射,到現在已經飛了3個月左右,后續還要再飛將近4個月。從發射到火星引力捕獲需要將近7個月時間,后續要經歷至少三道關口才能圓滿實現探測。
  
第一道難關,就是在火星引力范圍之內近火捕獲。既要讓火星捕獲非常精準,讓探測器在火星引力范圍之內進行制動,速度不要過大;又可以環繞起來,避免探測器飛出去或撞上火星。
  
第二道難關,在火星軌道上環繞2至3個月之后還要尋找一個非常好的小窗口,讓它進入到火星大氣。火星是有大氣的,其大氣的密度是地球大氣的1%左右。它在減速過程中有大氣減速、氣動減速、降落傘減速,還有反推發動機減速,最后靠著陸腿著陸在火星表面,吸收撞擊的能量,這個過程非常難。就像空間(返回)艙進入地球一樣,它在大氣減速的過程中會有8分鐘左右的黑障(通信中斷),其進入速度相當高,通信無法獲得信號。由于距離相當遠,從火星回傳到地球控制地面站也有很大時延,不可能實現實時控制。所以,進入/減速/軟著陸這個過程是靠(天問一號)自主完成一系列動作,不是靠地面控制。
  
第三道難關,軟著陸在火星表面,工作還不算做完,還要把火星車釋放到火星表面上,讓它走起來并開展探測。火星車上6個科學儀器要發揮作用,難度也很大,因為我們對火星表面的環境認知還相當少。如果軟著陸在火星表面上,落得不夠平坦或姿勢不夠正,火星車怎么開下來呢?可以從軌道的前面下,也可以從后邊下,就看當時落下去的姿態、地形等情況。
  
要圓滿地完成火星探測任務,這三道難關是一定要闖過的。

天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?

中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰接受中新社“中國焦點面對面”專訪。?中新社記者 蔣啟明 攝
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中新社記者:正如您所說,天問一號還要邁過三道難關才能成功著陸火星,這也恰好說明了火星探測的不容易。事實上,人類歷史上曾經進行過40多次火星探測,但是成功率不足50%。您能否給我們解釋一下火星探測的難點到底在哪兒?
  
劉彤杰:火星探測從上世紀60年代就已開始,那個時期由于對火星的認知還比較少,航天技術又在初創起步階段,因此剛開始失敗略多一些,但后來的失敗和火星探測技術難度大有很大關系。比如,要有龐大的運載火箭把探測器運送到軌道上,讓它能夠環繞火星探測,甚至軟著陸在火星表面。
  
火箭(方面)我們現在有長征五號火箭,這是第一步——實現大火箭的研制。我們歷經多年攻克了很多技術難關。第二步,在設計探測器時還有發射窗口的問題。因為火星、地球離得近,每26個月才有一次機會,每一次機會有半個月到一個月左右的時間,而每天火箭發射探測器有30分鐘左右的發射機會,這就是發射窗口。發射窗口非常局限,這就是它的又一大難度。
  
另外,火星最遠距地球有4億公里,大家都知道月亮距地球最遠距離只有40萬公里。這就使得深空測控通信上有延遲。當地球和火星距離達到4億公里時,時延可達到20多分鐘,從(地球)這邊發個指令,火星上收到時已經過去20多分鐘。這就帶來一個問題,探測器自主探測能力一定要強,這是它另外一個難度。
  
還有一個難度是近火捕獲,讓火星把探測器捕獲。另外,進入、減速和軟著陸于火星表面的過程也非常難,這就是火星探測幾大難點。


天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?


中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰接受中新社“中國焦點面對面”專訪。?中新社記者 蔣啟明 攝
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中新社記者:到明年5月份,天問一號預計將會在火星著陸,天問一號將會選擇在火星的哪個區域著陸呢?
  
劉彤杰:現在選擇的地點是在火星北半球,國際上有著陸計劃的火星探測任務,大多數選擇在火星北半球。因為南半球全是山地,更加坑洼不平,北半球有平原。我們選擇軟著陸的地區正好是個平原,叫烏托邦平原,(著陸地點)在烏托邦平原南部。地質學家說這里很可能是一個古海洋所在地。
  
在古海洋和古陸地交界處,科學家認為該地有很高的科學價值,很有可能會取得意想不到的科學成果,這就是選擇這個地方來進行軟著陸、巡視探測的原因。
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中新社記者:成功降落在烏托邦平原之后,天問一號會開展哪些科研探測任務?
  
劉彤杰:著陸在火星表面后,火星車即巡視器會開展科研探測。火星車上有6臺儀器。比如,導航地形相機是兩個功能復用,既可以給火星車導航,又可以看前面的地形地貌,從視覺上讓科學家了解到前面是不是有更多探測價值。
  
(火星車上的)次表層雷達,可以探測淺層結構。火星表面氣象測量儀可以測氣溫、氣壓、風速、風向。火星表面有大氣,月球表面上沒大氣,(因此火星探測器和月球探測器的)儀器也不同。火星車還可以測磁場、表面物質成分,這都是科學家關心的內容。
  
環繞器上有中分辨率相機、高分辨率相機,對火星的表面形貌進行探測。環繞器上還有磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子探測和能量粒子探測器。如果科學數據獲取足夠多,相信一定會產生有影響力的成果。


天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?


資料圖:2020年7月23日12時41分,中國在文昌航天發射場用長征五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器。駱云飛 攝
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中新社記者:我們也預祝中國的火星探測能夠取得好的成果。今年阿聯酋、中國和美國先后發射了三個火星探測器,掀開了人類火星探測新的篇章。這三個國家的火星探測計劃有什么異同?側重點分別在哪里?
  
劉彤杰:正是因為有發射窗口,所以這三個國家集中在今年7月份實施發射。其實之前還有歐空局和俄羅斯合作的ExoMars(火星探測)項目,但他們因為技術原因推遲了。
  
這三個探測器各有特點,阿聯酋的“希望號”是一個環繞探測器,相當于火星的環繞衛星,它著重對火星大氣進行探測研究。美國的“毅力號”是一個巡視器,相當于火星車,它是用懸吊的方式把火星車落在火星表面上。我們既有環繞火星的環繞器,還有(著陸于火星表面上的)火星車巡視探測,天地結合起來探測。但是三個任務各有千秋,畢竟每個國家的技術路線是不一樣的。
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中新社記者:您剛才提到天問一號任務將會通過一次任務完成“繞、著、巡”三大目標,這在全球應該還是第一次,如果任務能夠成功,對中國航天來說意味著什么?
  
劉彤杰:首先我覺得開展深空探測、行星探測工程是人類探索精神的體現。如果我們首次火星探測任務圓滿成功,這說明中國人在這方面有了長足進步,為人類和平利用太空作出更多貢獻。比如,我們有能力探測包括火星在內的太陽系行星,有能力開展相關科研工作,取得一些原創成果;對太陽系演化、地球演化能得出進一步科學成果,其實也是為人類在地球生存提供更多知識。這是技術和倫理層面的作用。
  
這么難的科技工程,如果我們都能完成得很好,可以激發青少年對科學的熱情,投身到國家建設中去,大家既可以仰望星空,又腳踏實地開展工作,激發大家的探測熱情,尤其是年輕人。所以我們愿意到高校和中學去給他們做一些工程介紹。對老百姓來說,航天還是一個比較神秘的領域。
  
對我們而言,這就是我們的工作,只不過這個工作大家接觸相對少一些,我們有責任讓更多人了解到其中的過程、知識和精神,這樣就可以為人類和平利用太空作更多貢獻。無論從科技角度上,還是人才培養上,還是世界觀的培養建立上都是有很大作用的。


天問一號還要邁過幾道關?火星探測難在哪?


資料圖:2020年10月1日,中國國家航天局發布中國首次火星探測任務天問一號探測器飛行圖像,圖上的五星紅旗光彩奪目,呈現出鮮艷的中國紅。這是中國天問一號探測器首次深空“自拍”。中新社發 中國國家航天局 供圖

中新社記者:中國行星探測的第一站選擇了火星,我們為什么要進行火星探測?
  
劉彤杰:為什么選火星探測?(這是因為)火星是類地行星,和地球環境有很多相似之處,國際上也選擇火星作為探測重點。我們對火星也有很大的關注度,因此選擇火星來探測。火星作為類地行星,有大氣,表面也有形貌,我們來看看它的演化是不是地球演化的未來。
  
火星很可能以前存在過生命,但是現在它大氣稀薄了,生命也不存在了。人類如果無限度地對地球開發破壞,地球會不會有朝一日也會發展成火星,這是科學家們提出過的問題。我們對火星有很大的好奇心,對探測火星也寄予很大希望,這是探測火星的主要原因。
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中新社記者:天問一號邁出了中國行星探測的第一步,未來中國在深空探測領域還有哪些計劃和安排呢?
  
劉彤杰:行星探測計劃規劃了4次任務,首次火星探測天問一號任務是第一次,已經發射實施了,目前其他任務正在論證中。第二次規劃的是小行星探測任務,預計在2024年前后實施。此后還會有火星采樣返回任務,這是在2030年前后。在2030年前后還有一次木星系及行星際穿越探測,即探測完木星和木衛4之后還要飛往更遠的深空。




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中新社“中國焦點面對面”專訪中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、中國首次火星探測任務新聞發言人劉彤杰? 視頻來源:中新視頻




來源:中國新聞網?作者:郭超凱


編輯:岳靚

審核:管晶晶

終審:冷文生


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