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成功天问一号成功抵达火星看这篇就够了 [复制链接]

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北京呼风唤雨文化传媒有限公司

年2月10日21:00消息,中国首次火星探测任务天问一号探测器实施近火捕获制动,环绕器N轨控发动机点火工作约15分钟,探测器顺利进入环火轨道,成为我国第一颗人造火星卫星,实现“绕、着,巡”第一步“绕”的目标,环绕火星获得成功!中国航天加油!

三大任务:绕落巡

天问一号将是我国自主发射的第一颗火星任务(遗憾失败的萤火一号是借俄罗斯火箭发射的),不同于之前“轻骑兵”模式的萤火一号,天问一号将是绝对的重磅出击——利用1次发射完成“环绕”、“着陆”、“巡视”火星这3大任务,也就是所谓的“绕落巡”。

央视新闻

环绕通常通过环绕器(轨道器)来完成,例如目前在轨的NASA火星勘测轨道飞行器(MRO),就在一圈一圈环绕着火星的过程中展开各项探测。而中国的天问一号也会包含1个环绕器,完成至少1年的环火星探测。

NASAMRO轨道器(左)和中国天问一号轨道器(右)示意图,来源:NASA、CNSA

稍提一句,其实着陆任务也可以根据需要先环绕飞行一段时间,然后选择合适的时机着陆,例如中国的嫦娥三号、四号着陆任务虽没有携带轨道器,但着陆器带着月球车在着陆月球之前也环绕了月球数圈。

着陆可以通过着陆器或者巡视器来完成,两者的主要区别就是着陆器不能动,而巡视器可以自由移动。我们熟悉的嫦娥三号着陆器+玉兔号月球车,嫦娥四号+玉兔二号月球车,就是着陆器+巡视器组合。

年1月11日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车两器互拍。来源:中国探月工程

也就是说,着陆器只可以完成着陆,而巡视器则可以完成着陆+巡视两项任务。

而本次天问一号则将通过一个着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务。着陆巡视组合体包含进入舱(着陆架)和火星车两部分,进入舱负责着陆,而火星车负责科学探测。

着陆巡视组合体的工作过程:着陆火星、分离火星车、火星车开展巡视探测。(啥?为啥喷火是蓝色的?不要在意这些细节)

测控和数传:4亿公里外的讯息传递

火星最远时距离地球4亿公里,是地月距离的倍。从这个角度来说,月球简直可以说是“近在咫尺”。

而距离越远,不仅信号传输时间越长,更重要的是信号衰减也越剧烈。相比于月球,遥远的火星显然为地球与探测器之间的通讯带来了更大的挑战。

与火箭和探测器保持通讯,或者说“测控和数传”,可以拆分为三个方面的问题:1)跟踪(火箭、探测器的)位置和速度;2)向探测器发送指令;3)接收探测器传回的探测数据。

而这三个方面都需要强大的地面站,或者说数目更多、分布更广、口径更大的地面天线,这不是一朝一夕可以完成的。

事实上,中国从嫦娥任务开始就已经在一步一个脚印地组建深空测控和地面接收网了。

年,佳木斯66米和喀什35米天线基本建成,同年11月就投入了嫦娥二号任务飞掠小行星图塔蒂斯等后续拓展任务的S频段测控支持,之后最远跟踪嫦娥二号至约1亿公里才失联。

佳木斯深空站(北纬46°,东经°)66米天线和喀什深空站(北纬38°.7,东经76°.3)35米天线

年,佳木斯深空站和喀什深空站正式建成并投入使用,同年12月正式加入嫦娥三号任务的测控工作,首次利用X频段完成了嫦娥三号地月转移、环月、动力下降和月面工作各阶段的测控工作。两处测控站至今仍在为嫦娥三号着陆器提供各项测控支持。

没想到吧,虽然玉兔号早已停止工作,但嫦娥三号依然坚挺。年12月7日,嫦娥三号着陆器成功唤醒,开启了第75个月昼的工作

年底,阿根廷35米天线深空站建成,不久就在年5月发射的嫦娥四号中继星鹊桥任务中正式投入使用。在这次任务中,阿根廷、佳木斯和喀什站共同为鹊桥中继星提供了S频段测控支持,这也是3个测控站首次完成全网协作。

阿根廷深空站(南纬38°11′28.90″,西经70°8′58.20″)35米天线及附近地形

至此,中国已经初步组建了自己的深空测控网。

全球主要深空测控设施分布。截止目前,我国深空测控网由中国中国西北部喀什地区35米深空站、中国东北部佳木斯地区66米深空站和位于南美洲阿根廷的35米深空站组成

年12月,嫦娥四号发射,佳木斯、喀什、阿根廷3站为嫦娥四号的飞行、着陆、月背工作提供了X与S频段测控通信支持,全面验证了中国的深空测控能力。

嫦娥四号任务的月背通讯

在此基础上,为了火星和接下来更远的深空探测任务,中国还在继续强化测控网的建设,向着更大、更多、更广的目标迈进。

年10月底,西安卫星测控中心位于喀什的3台35米天线完成吊装。多个天线可以单独工作,也可以组成天线阵列,达到更大口径天线的效果。

喀什新天线的吊装,来源:我们的太空

另一边,在探测数据的接收方面,除了之前已有的密云40米和50米、昆明40米等天线之外,年4月25日,中国科学院国家天文台在天津武清的70米天线(GRAS-4)吊装成功,预计到年10月投入使用,可以在天问一号抵达火星之后加入数据接收工作。

来源:人民日报

任探测器飞得再远,都能“抓得住”,“收得到”,这是我们迈向星辰大海的前提和保障。

天问一号精彩的火星之旅

探索火星,注定是一条充满挑战的荆棘之路,但也是中国想要迈向行星,去往更远的星球所必须拿下的起点。

“天问一号”配置了三种不同类型的发动机:一种是N的主发动机,这属于大推力;第二种是N的发动机,这是中档的推力;第三种最小的推力则来自25N发动机,主要用于姿态控制。

年7月23日12:41发射,年2月10日19:52左右抵达,飞行距离超过4.6亿公里,可以看到中间安排了多次中途轨道修正

在此之前,在飞向火星的将近4.7亿公里的旅程中,“天问一号”已经利用这些发动机相互配合,分别在:

1)年8月2日7时(距地球万公里处);

2)年9月20日23时(距地球万公里处);

3)年10月28日22时(距地球万公里处);

4)年2月5日20时(距地球1.84亿公里处);

顺利进行了4次轨道修正,以确保“天问一号”航向正确。

一路上,“天问一号”还不忘带给我们一些惊喜:

年7月27日,“天问一号”从海南出发后4天,在距离地球大约万公里处拍摄并传回的地月系合影

年10月1日国庆节当天,“天问一号”用自己携带的分离测量传感器(你可以理解为自带相机的小卫星)拍摄传回的自拍照,为国庆献礼。此时它距离祖国已经万公里。画面里可以清楚地看到圆锥形的着陆器-漫游车组合体,穿着金色隔热服的轨道器,以及一台与地球联络的高增益天线,当然还有鲜红的五星红旗

最后这张肯定都记得。这是“天问一号”探测器拍摄的第一张火星图像,由中国国家航天局在年2月5日对外发布。此时天问一号距离火星大约万公里

着陆火星:挑战“探测器坟场”

即使顺利飞到火星附近,地面站也没和探测器失联,对于一个着陆任务来说,其实才只成功了一半。

这一点也没有夸张。从年人类第一次尝试发射火星探测器至今,一共有15次火星着陆任务成功进入了火星大气层,但只有8次任务成功着陆并顺利开展探测工作——近一半的失败率让这颗红色星球至今还保有“探测器坟场”的称号。

截止火星发射窗口之前的火星着陆版图,括号里的是抵达年份。数据来源:MOLA,制图:haibaraemily

着陆火星比着陆月球要危险得多,这很大程度上要怪火星有大气层。尽管火星大气层很稀薄,表面大气压只有地球的6%,但也足以形成一个“屏障”,让毫无防备的探测器“未达火星先烧坏”了。

但也不是说火星大气没有一点好处,事实上,火星大气的存在让着陆器任务有了利用大气摩擦减速和使用降落伞减速的空间,这些都能缓解之后使用反冲火箭减速的压力。

总之,相比于简单直接的月球着陆任务,火星着陆任务多了很多复杂的步骤。例如着陆组件得先被塞进一个隔热盾里保护起来,降落伞要能打得开撑得住,减速到一定程度隔热盾还要打得开抛得掉……而这些都得靠探测器自主判断和完成。

更复杂,也往往意味着更多不确定性。任何一个操作环节出现问题,都可能会让探测器无法成功着陆。这对于第一次尝试着陆火星的中国来说,显然有太多太多巨大的挑战。

例如降落伞,叶培健院士就表示要“反反复复抓降落伞”。欧空局和俄宇航的ExoMars任务,很大程度上就是因为降落伞不过关,而退出本届火星赛季的。

来源:央广网、新华网

例如着陆器如何完成最后阶段的悬停、避障和下降操作。年11月14日,模拟火星重力环境下的天问一号着陆器悬停避障试验在河北怀来完成。

来源:央视新闻

当然,还有一点不能不提的,是嫦娥工程的技术积累。从年到年,嫦娥一号到四号通过四次任务逐步实现了月球的环绕、着陆和巡视,这其中积累的实战经验和科学技术人才,是中国火星任务和接下来深空任务最宝贵的财富。

来源:探月工程数据发布与信息服务系统

END

本文综合自“果壳”,原标题《为了去火星,你知道天问一号有多努力吗?》,作者

Haibaraemily;“星空早知道”,原标题《飞行4.7亿公里,“天问一号”今晚抵达火星!》,作者

老严

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