天问一号发射后,此去火星还要4亿多公里

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  前路漫漫,心心念念,希望我们的小伙计顺利抵达。

  

  天问一号着陆器(概念图)|中国航天

  作者 | 林文杰

  天问一号在7月23日发射升空之后,全民欢欣鼓舞。不过,此去火星还有4亿多公里。据预计,天问一号还要再飞将近7个月,明年才能到达火星。

  在这期间,它将与阿联酋的“希望号”火星探测器,以及NASA的“毅力号”火星车展开长跑。三者先后分别于7月20日、23日、30日发射。

  我们来看看,它们将登上怎样的“跑道”。

  01.

  进入飞向火星的高速公路

  目前,依赖长征五号运载火箭的强大推力,天问一号已经直接进入地球至火星的转移轨道。这条轨道被称为霍曼转移轨道,是航天器进行行星探索时从一颗行星去到另一颗行星消耗能量最少的轨道。相当于太空中的高速公路。

  

  霍曼转移轨道(红线)。这是一条绕太阳公转的椭圆轨道,与地球、火星的公转轨道相切。|来自网络

  天问一号飞出后,要向7个月后火星所在的轨道位置前进,以便被火星的引力所捕获。在转移轨道上,它主要受太阳的引力做轨道运动。

  天问一号要前往火星,就需要将速度达到第二宇宙速度,才能摆脱地球引力,进入转移轨道。如果速度达不到,就得像印度前些年发射的曼加里安火星探测器一样,在地球轨道上继续绕圈圈,以达到更大速度。据悉,当时曼加里安火星探测器在地球轨道上进行了4次变轨,才达成目标。

  天问一号有长征五号助力,则不存在这样的问题,一经发射就直接进入了转移轨道,大大缩短了任务时间。——希望号和毅力号同样使用大推力火箭,直接进入转移轨道。

  

  7月27日,天问一号在飞离地球120万公里处拍下地月合影,二者一大一小均呈新月状,在茫茫宇宙中相互守望。|中国航天

  02.

  进入火星怀抱

  在天问一号发射时,火星此刻已经运行到地球附近,两者的公转轨道处于较近的位置。随着地球、火星继续绕太阳公转,天问一号需要向火星7个月之后的位置前进,以便两者能够相遇。

  第一个决定性的时间将在2021年2月到来。天问一号抵达距离火星十多万公里的轨道上,此时天问一号将正式成为火星的一颗人造卫星。一旦天问一号抵达火星的引力控制范围之内,就需要启动推力为3000牛的发动机,开始10多分钟的制动,因为这时候天问一号的速度非常快,如果不减速,一不小心就可能跑过了,无法被火星引力捕获。

  第一次制动之后,天问一号就正式进入了火星的“势力范围”。这是一条远火点18万公里,近火点400公里的椭圆轨道。天问一号会在这条轨道上运行一段时间,一周之后,再次制动,进入1.4万公里乘以265公里的椭圆轨道。

  这时候,它已经可以很靠近火星了。

  

  天问一号靠近火星。此时为轨道器、着陆器、火星车(巡视器)三器一体。|中国航天

  03.

  和火星近距离接触

  经过减速制动之后,天问一号将释放着陆器,此时着陆器的速度可达到每小时2万公里,在接下来十多分钟内要将径向速度降低到零,实现在火星上软着陆。轨道器则再次进行机动,进入265公里圆轨道,开始从太空中对火星进行观测。

  完成这个几个步骤之后,天问一号空间段任务才算完成,轨道器展开观测,着陆器降落到火星表面,从发射到此刻耗时在7个月以上。

  阿联酋和美宇航局的火星探测器前往火星也是走这样的路线,通过霍曼转移轨道进入火星,抵达火星时进行制动减速,让探测器被火星引力所捕获。

  04.

  在火星上玩耍

  着陆器抵达火星表面之后,就进入地面巡视阶段了,着陆器会释放火星车,对火星表面进行实地勘测。动用的设备主要是火星车上搭载的仪器,比如可感知火星表面下方100米的探地雷达、表面磁场探测仪、气象测量仪等。

  火星车上一共搭载了6台仪器,轨道器上搭载了7台仪器,一共13台。着陆器的功能只有软着陆使用,在火星车安全降落火星之后就不再发挥作用。

  火星车有6个车轮,可从着陆器上行驶下来,接下来就是开展火星表面探索了,任务截止时间就要根据实际情况而定。

  美国宇航局机遇号在火星上行驶了15年,原定的任务期只有3个月。天问一号火星车的原定任务期也只要数个月,具体情况需要根据火星表面情况而定,正常情况下行驶个数年应该没有问题。

  

  天问一号火星车预备从着陆器上滑下。|中国航天

  05.

  防备各路“妖怪”

  在火星上玩耍,并不总是那么容易。如果遇到火星上的凹陷地带就可能陷入其中,导致无法动弹。勇气号火星车就遇到这个问题,导致其被迫转入静止观测平台,最终任务提前结束。

  对天问一号火星车而言,每走一步都需要非常小心,通过全景相机对火星表面进行观测,制定合适的行驶路线。这方面我们也有经验,在玉兔2号月球车执行任务过程中也是如此,一边制定路线,一边进行探索,随时调整方向,确保月球车不会陷入沙地的小坑中。

  除了地形上的因素外,天问一号火星车还需要应对火星上的自然条件,比如火星表面的岩石会损坏车轮,好奇号的车轮就破了个洞,这也是正常在火星表面行驶时的损耗,这会影响到火星车后续任务的进行。

  火星上另一个问题是沙尘暴,爆发沙尘暴的时候漫天都被尘埃遮挡,天问一号火星车的太阳能电池板也会因为尘埃遮挡导致功率下降。如果尘埃不及时被风吹走,或者沙尘暴持续时间太长,耗尽了蓄电池的电量,就会导致天问一号火星车因为缺乏保温使得仪器损坏。火星夜晚的温度可达到零下100多摄氏度,需要蓄电池对仪器进行保温,否则会发生损坏。

  

  

  2018年,机遇号遭遇特大沙尘暴,至今失联。下图为火星车上厚厚的尘埃。|NASA

  总之,前路漫漫,我们的小伙计正在勇闯天涯,希望它顺利抵达。

  文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,转载请注明出处。

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