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「天問一號」一飛沖天 火星首迎「中國來客」

2020-07-24
■ 2020年7月23日12時41分,中國首次火星探測任務「天問一號」探測器在海南的中國文昌航天發射場成功發射。路透社■ 2020年7月23日12時41分,中國首次火星探測任務「天問一號」探測器在海南的中國文昌航天發射場成功發射。路透社

明年2月「剎車變軌」 環火等待探測窗口 挑戰「繞落巡」三連勝

香港文匯報訊(記者 劉凝哲 文昌報道)中國首次火星探測之旅正式啟程!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。火箭飛行約2,167秒後,成功將「天問一號」探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了中國行星探測第一步。

「天問一號」探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後,到達火星附近,通過「剎車」完成火星捕獲,進入環火軌道,並擇機開展茬陛B巡視等任務,進行火星科學探測。

探測窗兩年一遇 中美阿將齊征火

火星是離太陽第四近的行星,與地球鄰近且環境最為相似,是人類走出地月系統開展深空探測的首選目標。國際火星探測已取得豐富成果,在火星上發現了曾經有水、甚至現在還存在水的若干證據,極大激發了人們在火星尋找生命的熱情,也成為當前國際深空探測的熱點。

受天體運行規律約束,火星探測窗口每26個月出現一次,並且窗口時間較短。1996年以來,幾乎每個發射窗口都有火星探測器發射,今年更是迎來了中國、美國、阿聯酋多國齊聚火星發射窗口,共同奔赴火星,開啟深空探測的新高潮。

中國首次火星探測任務的科學目標,主要是實現對火星形貌與地質構造特徵、火星表面土壤特徵與水冰分布、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星物理場與內部結構等研究。

首次火星探測任務的工程目標,一是突破火星制動捕獲、進入/下降/茬陛B長期自主管理、遠距離測控通信、火星表面巡視等關鍵技術,實現火星環繞探測和巡視探測,獲取火星探測科學數據,實現中國在深空探測領域的技術跨越;二是建立獨立自主的深空探測工程體系,包括設計、製造、試驗、飛行任務實施、科學研究、工程管理以及人才隊伍,推動中國深空探測活動可持續發展。

捕獲機會僅一次 全程需自主執行

火星捕獲是火星探測任務中技術風險最高、最為重要的環節之一,在火星探測器從地球飛向火星的過程中,能夠被火星引力所捕獲的機會只有一次。利用火箭助推,探測器獲得了擺脫地球引力的能量,使用精心設計的轉移軌道,探測器能夠最終順利抵達火星附近。然而,受限於攜帶的推進劑有限,環繞器在抵達火星後,必須把握住唯一的機會對火星進行制動捕獲。此次火星探測任務捕獲時探測器距離火星僅400公里,而此時探測器相對火星的速度高達每秒4到5公里,一不留神就會撞擊火星或飛離,捕獲的成功與否成為火星探測任務成敗的關鍵。

在這一制動捕獲過程中,火星環繞器面臨諸多挑戰。由於捕獲時探測器距離地球1.93億公里,單向通信時延達到10.7分鐘,地面無法對這一制動過程進行實時監控,只能依靠探測器自主執行捕獲策略。此外,在制動過程中,環繞器需要在自身出現突發狀況時自主完成相應處理,最大限度保證火星捕獲成功。

首次火星探測任務新聞發言人、國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤傑介紹,捕獲過程中,火星環繞器需要準確地進行點火制動,如果制動點火時間過長,探測器速度下降過多,探測器就會一頭撞上火星,如果制動點火時間過短,探測器速度過快,就會飛離火星從而無法進入環繞軌道,這對環繞器的自主導航與控制提出了極高要求。

環繞器超級天線 助調姿變軌通信

環火飛行階段,由於地球和火星的運行規律,探測器距離地球最遠達到4億公里。為了解決超遠距離通信問題,火星環繞器裝備了測控數傳一體化系統,實現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。為補償空間衰減,火星環繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動的定向天線,大幅度提高探測器到地球通信能力。

此外,環繞器與地面站通信有其空間的特殊性,導致通信中斷(「日凌」)的時間最長可達30天,其間需依靠自身完成長期任務管理,並在出「日凌」後及時調整天線指向,迅速重新與地面建立聯繫。

據悉,在此次火星探測任務的關鍵節點,自主管理同樣需要發揮巨大作用。在火星探測器進行環繞器與茬馬紫蠷馱擢鰹氶A環繞器需在短時間內完成3次調姿和2次變軌,對姿態及位置測量及控制精度要求非常高。正是依靠自主在軌管理系統,火星環繞器才能夠精準、及時地完成與茬馬紫蠷鼓漱擢驉C

此次火星環繞器上共搭載7種有效載荷,可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開展科學探測,獲取行星際射電頻譜數據、火星表面圖像、火星地質構造和地形地貌、火星表層結構和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場環境、近火星空間環境和地火轉移軌道能量粒子特徵及其變化規律。

中國火星探測作為開放性的科學探索平台,包括港澳地區高校在內的全國多地研究機構積極參與了研製過程,中國也與法國、奧地利、阿根廷、歐空局等國家和組織開展了多項合作。

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