即将启程!“天问一号”要闯的三大关卡都是啥?

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  去火星究竟有多难?截至阿联酋“希望号”火星探测器发射之前,人类以火星为目标开展航天器发射任务46次,其中2次任务的终点站不是火星(“黎明号”小行星探测器与“罗塞塔号”彗星探测器),10次搭载了一个以上的探测器(例如轨道器+着陆器、双火星探测器等),在这46次发射中,连地球引力范围都没出的失败案例就有11次,在成功前往火星的35次任务中,有5次“中道崩殂”,在前往火星的路上失联。

  

  长五遥四火箭大推力氢氧发动机校准试车(图片来源:国家航天局)

  所以我们能看到,在深空探测的过程中,探测器发射成功仅仅是探测任务的“万里长征第一步”而已,相当于刚刚出了新手村。

  那么,我们的“天问一号”上路之后要克服哪些困难?

  众所周知,“天问一号”从地球飞往火星,大约需要200余天,近七个月。如果到时它能顺利被火星捕获,还仅仅是过了第一关,后面还有相当多的挑战在等待着它:包括进入环火椭圆轨道、两器分离、着陆器平安着陆、火星车登上火星等等,只要任何一环出了问题,都将导致任务的失败或者部分失败。可以说,前往火星的漫漫征途,险象环生。

  第一关:捕获!火星快抓住我

  “天问一号”将作为我国第二个进入环太阳轨道(第一个是“嫦娥二号”)的深空探测器直飞火星,想要让它能安然被火星捕获,就需要分别克服几个难点:  

  1. 捕获问题。火星的质量比较小,其引力捕获范围也比较小,想要被火星捕获,就需要极其精确的轨道才能实现。不过按照此前“北斗”系列卫星高超的发射精度来看(同步转移轨道远地点精度2公里,相当于近地点速度仅有每秒几厘米的差异),这显然不是问题;

  2. 通讯问题。火星与地球的距离在5000万公里到4亿公里不等,考虑到被火星捕获的时候两个星球之间的相位,显然,比起“嫦娥”系列任务38万公里的距离而言,是数百倍的差距。如此深远的距离导致探测器天线发出的信号将变得十分微弱,因此需要地面构建深空探测网络(Deep Space Network, DSN)。

    我国的DSN已经初步建成,而且证明了其能力:几年前我国利用这套系统跟踪飞出地月系的“嫦娥二号”,直到8000万公里的深空,依然能够与之通讯;如果把标准放宽一点,仅仅是追踪航天器的话,2015年,我国研究团队就已经测量到了47亿千米外的“新地平线号”探测器。同时,随着今年70米口径深空天线在天津落成,以及与欧空局的深度合作,我国深空探测通信的问题显然也已得到解决。

  

  火星探测器飞行效果图(图片来源:国家航天局)

  第二关:制动!进入环火星轨道

  “天问一号”被火星捕获之后,为了能够进入环火星轨道,需要其能够在近火星点进行制动,进入一个环绕火星的椭圆轨道且长期保持运行。

  在被火星引力捕获的30颗探测器中,除去3次飞掠任务与7次不进入轨道直接进入火星大气层着陆的任务之外,仅有3颗卫星进入环火轨道失败,这其中既有探测器本身的因素,也有人为的因素。在此阶段的难点主要在于:

  1. 指令注入问题。在进入环火轨道的阶段,地球与火星的通信延迟在十几分钟,这就意味着我们无法通过人工即时操作,只能预先注入指令的办法来控制探测器。不过这个问题对于一个已经发射了数百颗人造卫星的国家而言不是难事,这与日常的发射任务的控制原理本身就是一样的。只要不发生上世纪末美国的“火星气候探测者”探测器因为控制系统采用公制单位,而地面人员注入了英制数据导致其直接进入火星大气焚毁的低级错误,那么这就不是问题。

  2. 器件寿命问题。我们注意到,之前有两次失败任务是由器件损坏引起的,不过这两次失败的任务都发生在上世纪七十年代,随着人类技术的不断提升,这个问题也将在很大程度上得到解决,至少21世纪以来进入火星轨道的探测器,它们都在预定轨道上运行得好好的。  

  第三关:下降!死亡七分钟

  在进入火星轨道之后,“天问一号”需要花几个月的时间对火星表面进行测绘。尽管美国的“火星轨道勘测者”已经获取了亚米级的火星表面图像,但部分区域仍然没有覆盖到位,而且火星变化无常的天气也容易让火星的地表存在一定的变化,因此需要我们自己动手获取一手信息。等到我们获取合适的落区图像之后,“天问一号”的着陆器将与轨道器分离,进入下降阶段。

  

  火星表面崎岖不平(图片来源:NASA

  下降阶段的时长往往在几分钟到数小时不等,美国人喜欢称之为“死亡七分钟”,这是由于他们的着陆器大部分跳过了进入环火轨道步骤,直接高速进入火星大气层。而“天问一号”采用类似于上世纪美国“海盗号”探测器的方案,从火星的大椭圆轨道进入大气层,速度更为缓慢一些,在火星大气层中的飞行时间会比七分钟长一些,技术难度相对要低一些。尽管我国一次性实现“绕落巡”的设置具有挑战性,不过难度仍然在可以接受的范围内。

  但这绝不意味着登陆火星的任务就如同游戏一般简单。在此前15次火星着陆任务中,成功完成软着陆任务的有12次,但真正能实现有效数据传输的仅有8次,且这8位幸运儿都是美国研制的探测器。“天问一号”想要打破“美国魔咒”,圆满完成着陆任务,一次性实现“落、巡”两步,同样需要克服几个难点:

  1. 自主着陆问题。尽管“嫦娥三号”与“嫦娥四号”已经成功完成了地外天体的自动着陆任务,但要注意的是,着陆月球是全程使用反冲发动机的,影响因素少;而且地月之间的通讯延时仅有一秒多,一旦在某些过程发生问题(例如悬停避障阶段),人工操控也能予以挽回。

  而火星的第一宇宙速度相对月球而言较高,无法实现全程动力下降;虽然可以利用火星大气进行气动减速,辅以降落伞,可以较大量地削减下降阶段需要的燃料,然而火星大气过于稀薄,即便大面积展开降落伞,其末速度还是较大,因此仍然需要利用发动机反冲下降;且地火通讯延迟高,人工无法干预,此外还有火星近地面空气的扰动问题等等,因此一切复杂的操作只能靠着陆器自己完成,这对于自动控制的要求无疑上了一层台阶,是下降段任务的最大难点之一。

  2. 着陆器元器件可靠性问题。除了直接因为控制系统失灵的问题之外,着陆过程中产生的震动,火星独特的环境也将令元器件失效的可能性大大增加。尽管现在航天器件的可靠性都有了质的提升,令近年来的火星任务成功率不断走高,但相关问题仍然存在——例如降落伞或者电池板会不会卡死,电池板会不会因为火星扬尘而导致失效等等,这些核心问题关乎任务能否顺利完成。  

  

  我国火星探测器示意图(图片来源:国家航天局)

  好在这些难点在地面上都一一进行了演示验证,特别是去年11月的模拟火星重力的着陆器动力下降实验,向全世界展示了我国在登陆火星上的充足准备。

  

  201911月,我国火星探测任务着陆器悬停避障试验 马俊/

  写在最后

  总的来看,尽管火星任务的失败率比较高,但随着时间的推移,其成功率也在不断攀升。进入21世纪以来,12次火星探测任务除了1次发射失败,2次着陆失败之外,都获得了成功。特别是火星轨道器,只要发射成功,就能实现长期运行。

  因此笔者有充分的信心认为,“天问一号”将能够顺利进入火星轨道,开展下一阶段的任务,最终实现着陆火星,开展巡视探测的目标。

  我们200天以后再见!

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