天問(wèn)一號(hào)：在探火路上來(lái)一次“后發(fā)先至”

天問(wèn)一號(hào)：在探火路上來(lái)一次“后發(fā)先至”

實(shí)習(xí)記者 于紫月

今年7月，火星探測(cè)迎來(lái)發(fā)射“窗口期”，一旦錯(cuò)過(guò)，就要等待近26個(gè)月。隨著這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的臨近，籌劃了多年的中國(guó)首個(gè)火星探測(cè)項(xiàng)目，也終于有了自己的名字——“天問(wèn)一號(hào)”，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)則被命名為“天問(wèn)（Tianwen）系列”。

我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)計(jì)劃于7月?lián)駲C(jī)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行。中國(guó)航天科技集團(tuán)五院火星探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師賈陽(yáng)此前表示，此次探測(cè)任務(wù)目標(biāo)是通過(guò)一次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)目標(biāo)，開展對(duì)火星全球性和綜合性的探測(cè)，并對(duì)火星表面重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行精細(xì)巡視勘察。

一舉多得

少花錢多辦事

縱觀人類航天史，人們似乎對(duì)火星“情有獨(dú)鐘”，截至目前，全球共有40余次火星探測(cè)活動(dòng)，這是為何？

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)給出了答案：“火星是太陽(yáng)系內(nèi)與地球特點(diǎn)最為接近的行星，是人類未來(lái)移民的首選地。”

毋庸置疑，人類“第二家園”這一誘惑實(shí)在太大。“火星過(guò)去可能擁有過(guò)適合地球生命生存的環(huán)境條件。”張偉表示，研究火星地質(zhì)、表面成分的長(zhǎng)期演變過(guò)程，巖石和空氣、水的相互作用等，將有助于我們理解火星生命可能存在和消失的原因，進(jìn)而分析和預(yù)測(cè)地球的未來(lái)。

張偉介紹，人類探測(cè)火星的方式通常包括環(huán)繞、著陸、巡視、采樣返回、載人登陸探測(cè)等。今年“天問(wèn)一號(hào)”一次發(fā)射同時(shí)要完成環(huán)繞、著陸、巡視3種探測(cè)目標(biāo)，實(shí)屬“少花錢，多辦事”。

一舉多得的背后，是復(fù)雜的技術(shù)和較高的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)際上也鮮有先例。美國(guó)海盜1號(hào)、海盜2號(hào)火星探測(cè)器曾通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞、著陸兩種探測(cè)目標(biāo)；歐洲也曾進(jìn)行過(guò)類似的嘗試，但并未成功，只實(shí)現(xiàn)了“一舉一得”。

在中國(guó)航天科技集團(tuán)五院深空探測(cè)和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士葉培建看來(lái)，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)實(shí)為“彎道超車”。他在接受媒體采訪時(shí)曾表示，我們?nèi)粝雽?shí)現(xiàn)超越，需要利用現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)“兩步并成一步走”。事實(shí)上，我國(guó)很早就開展了相關(guān)研究。此次我國(guó)火星探測(cè)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。

多方合力

備戰(zhàn)探火“大考”

正如葉培建院士所言，我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃籌謀已久。

“2010年8月，8位院士聯(lián)名向國(guó)家建議，開展月球以遠(yuǎn)深空探測(cè)的綜合論證，國(guó)家國(guó)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(guó)國(guó)家航天局探月與航天工程中心深空探測(cè)總體部部長(zhǎng)耿言曾撰文寫道，首次火星探測(cè)是深空探測(cè)的起點(diǎn)和重點(diǎn)，實(shí)施方案經(jīng)過(guò)三輪迭代和深化，于2016年1月正式立項(xiàng)實(shí)施。

從此，一場(chǎng)瞄準(zhǔn)火星的深空探測(cè)大戲正式拉開帷幕。

首次火星探測(cè)任務(wù)由工程總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用5大系統(tǒng)組成。其中，探測(cè)器、運(yùn)載火箭均由中國(guó)航天科技集團(tuán)抓總研制。

2017年9月，第三屆北京月球與深空探測(cè)國(guó)際論壇傳來(lái)消息，我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)的相關(guān)載荷已經(jīng)基本確定，涉及空間環(huán)境探測(cè)、火星表面探測(cè)、火星表層結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域。

此次任務(wù)所采用的長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭也已做好了充足準(zhǔn)備。2020年1月，長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)順利完成了總裝出廠前的最后一項(xiàng)驗(yàn)證，標(biāo)志著這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能達(dá)到預(yù)定要求，即將轉(zhuǎn)入火箭總裝階段。

針對(duì)火星探測(cè)器的測(cè)控系統(tǒng)，是一種基于現(xiàn)有的航天測(cè)控網(wǎng)和深空測(cè)控網(wǎng)，包括北京航天飛行控制中心、佳木斯66米口徑天線測(cè)控站等，對(duì)火星探測(cè)器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、軌道測(cè)量、飛行控制、在軌管理和應(yīng)急處置等的系統(tǒng)。2020年3月，北京航天飛行控制中心完成火星探測(cè)任務(wù)無(wú)線聯(lián)試，充分驗(yàn)證了探測(cè)器與地面系統(tǒng)的接口匹配性和一致性，對(duì)各類方案、技術(shù)狀態(tài)、軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)試，為任務(wù)順利開展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)也正積極備戰(zhàn)中。2020年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首次飛行任務(wù)發(fā)射場(chǎng)區(qū)指揮部指揮長(zhǎng)張學(xué)宇表示，中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)具備了高密度發(fā)射實(shí)戰(zhàn)能力、高中低軌空間投送能力和任務(wù)并行測(cè)試發(fā)射能力。當(dāng)前，發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)將持續(xù)做好火星探測(cè)、嫦娥五號(hào)以及后續(xù)空間站建設(shè)階段飛行任務(wù)等重大航天發(fā)射任務(wù)的組織實(shí)施，堅(jiān)決奪取疫情防控和航天發(fā)射任務(wù)“雙勝利”。

地面應(yīng)用系統(tǒng)整體吊裝完成，備受矚目。2020年4月25日，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)承建的首次火星探測(cè)工程地面應(yīng)用系統(tǒng)，在天津成功實(shí)施完成70米天線反射體的整體吊裝，中國(guó)首次火星探測(cè)工程副總設(shè)計(jì)師兼地面應(yīng)用系統(tǒng)總指揮李春來(lái)表示，70米天線今年10月能完全具備火星探測(cè)的數(shù)據(jù)接收能力。

目前，探測(cè)任務(wù)計(jì)劃正在有條不紊地進(jìn)行，相關(guān)工作人員正加班加點(diǎn)，為即將到來(lái)的“大考”做準(zhǔn)備。

難點(diǎn)眾多

挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

根據(jù)火星與地球的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，再結(jié)合實(shí)際，考慮到當(dāng)前運(yùn)載火箭的能力，就會(huì)發(fā)現(xiàn)每隔26個(gè)月才有一次有利的火星探測(cè)器的發(fā)射機(jī)會(huì)。

今年是全球火星探測(cè)的爆發(fā)期。據(jù)了解美國(guó)、阿聯(lián)酋也計(jì)劃于今年發(fā)射探測(cè)器，而此前同樣有此計(jì)劃的歐俄聯(lián)合火星探測(cè)任務(wù)因疫情等原因推遲到2022年。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，至今全球火星探測(cè)成功率大約為40%，原因在于火星探測(cè)工程難點(diǎn)眾多。

張偉表示，火星探測(cè)最大的難點(diǎn)在于“恐怖7分鐘”——在進(jìn)入、下降與著陸過(guò)程中，要在7分鐘內(nèi)將探測(cè)器的時(shí)速?gòu)?萬(wàn)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(lái)保證。

“再者，探測(cè)器從地球飛往火星需要200余天，漫漫長(zhǎng)路需要有可靠的通信。”張偉告訴科技日?qǐng)?bào)記者，除此之外，在一定體積和重量約束的前提下，火星探測(cè)器還要充分提高能源的利用率，包括高效多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)、高效蓄電池技術(shù)，以及能量密度高、壽命長(zhǎng)的核電源等。

由此看來(lái)，此次我國(guó)同時(shí)開展“繞”“落”“巡”探測(cè)目標(biāo)，其難度之高不言而喻。這不畏艱難、勇于挑戰(zhàn)的底氣，源自我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，源自無(wú)數(shù)航天科技工作者的不懈努力！