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为了去火星,你知道天问一号有多努力吗?

时间:2021-10-14 00:47 点击次数:
  本文摘要:来源:果壳 将要在7月启程的中国火星观测任务,在前不久的第五届中国航天日(2020年4月24日)上,再一具体了任务名称——天问一号。 这一天也是我国第一颗人造卫星“东方红一号”升空50周年纪念日,十分有“承传”的使命感。 迈进行星的“天问”系列 “天问”来自中国最出色诗人屈原的长诗《天问》。在这首诗里,两千多年前的屈原同学化身奇怪宝宝,对天地万物发动了一连串“灵魂审问”。

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来源:果壳  将要在7月启程的中国火星观测任务,在前不久的第五届中国航天日(2020年4月24日)上,再一具体了任务名称——天问一号。  这一天也是我国第一颗人造卫星“东方红一号”升空50周年纪念日,十分有“承传”的使命感。

  迈进行星的“天问”系列  “天问”来自中国最出色诗人屈原的长诗《天问》。在这首诗里,两千多年前的屈原同学化身奇怪宝宝,对天地万物发动了一连串“灵魂审问”。

特别是在是“日月安属,列星安陈”这样的探求渴求,于是以对应着两千多年后的中国“走进”地球,探寻很远行星世界的忠诚决意。“中国将行星观测任务命名为天问系列” |   是的,意思就是说…… “天问”系列并某种程度是中国火星任务的名称,而是中国接下来行星观测任务共计的名称。“天问一号”标识 | 人民日报  一个系列包括多个行星观测任务,这种命名方式早于有先例。  NASA的先驱者号系列(Pioneer program),用多发探测器在 1958-1978年间探寻了月球、金星、木星、土星和空间环境。

先驱者号系列中的4种观测任务构型:(从左到右)先驱者A–E号、先驱者10/11号、先驱者金星1号(先驱者12号)和先驱者金星2号(先驱者13号) | NASA  更加出名的当属NASA的水手号系列(Mariner program),用10次观测任务在1962-1973年短短11年时间里观测了火星、金星和水星,已完成了数个人类深空观测史上的“第一次”。水手10号 | NASA  再行算上走访了外太阳系全部4颗行星的水手11和12号(也就是大名鼎鼎的旅行者1号和2号),可以说道是一个系列涵盖了整个太阳系。旅行者1号和2号 | NASA  从这个角度来说,“天问”系列的目标是创建起我国自己的“行星舰队”,目标不堪称之并不大。

  只不过,想起20年后孩子们的考试题……为下一代深感头忽…  三大任务:绕落巡  天问一号将是我国自律升空的第一颗火星任务(失望告终的萤火一号是借俄罗斯火箭升空的),不同于之前“轻骑兵”模式的萤火一号,天问一号将是意味著的重磅迎击——利用1次升空已完成“环绕着”、“降落”、“视察”火星这3大任务,也就是所谓的“绕落巡”。  环绕着一般来说通过环绕着器(轨道器)来已完成,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进行各项观测。而中国的天问一号也不会包括1个环绕着器,已完成最少1年的环火星观测。

NASA MRO轨道器(左)和中国天问一号轨道器(右)示意图 | NASA、CNSA  略为托一句,只不过降落任务也可以根据必须再行环绕着飞行中一段时间,然后自由选择适合的时机降落,例如中国的嫦娥三号、四号降落任务虽没装载轨道器,但着陆器带着月球车在降落月球之前也环绕着了月球数圈。  降落可以通过着陆器或者视察器来已完成,两者的主要区别就是着陆器无法一动,而视察器可以权利移动。

我们熟知的嫦娥三号着陆器+玉兔号月球车,嫦娥四号+玉兔二号月球车,就是着陆器+视察器人组。2019年1月11日,嫦娥四号着陆器和玉兔二号月球车两器言和拍电影。来源:中国搜月工程  也就是说,着陆器只可以已完成降落,而视察器则可以已完成降落+视察两项任务。

  而本次天问一号则将通过一个降落视察组合体来已完成降落和视察两项任务。降落视察组合体包括转入舱(着陆架)和火星车两部分,转入舱负责管理降落,而火星车负责管理科学观测。降落视察组合体的工作过程:降落火星、分离出来火星车、火星车积极开展视察观测。

(啥?为啥Bf是蓝色的?不要在乎这些细节)| CCTV  为了已完成这样高难度的目标,我们早已做到了许多打算。  长征五号:再一等到你  想一次把3个大家伙运上火星,首先必需解决问题的难题就是运输工具——火箭。要告诉,比起于40万公里外的月球,火星可很远得非常少。  火星和地球都是环绕着太阳的行星,这意味著,两者的距离不会大大变化:地球和火星坐落于太阳两侧时最远距离约4亿公里,而坐落于太阳同侧最近时也有5460万公里近。

图源NASA  也就是说,即使是火星最近的时候,也有月球的150倍近。 最近时火星和地球的距离比起于地月距离的比例。

改编自:James O‘Donoghue/NASA  不过,直线距离的对比,对我们解读火箭的升空可玩性只不过并没必要的意义,因为不管是去月球还是去火星,探测器都不 是 平 线 飞 过 去 的,而是通过火箭的运力把探测器送到一个大椭圆轨道,让探测器飞来着飞来着自然而然和火星“遇见”——这就是传说中的“霍曼移往轨道”。从地球到火星的霍曼移往轨道,这样的升空窗口每26个月一次。

凡是跟你们说道火星升空窗口是地球和火星距离最近的时候的,有一个算数一个都是错的。改编自:NASA  之所以自由选择这样的方式飞抵火星,几乎是因为对我们真是弱小又绝望的地球人来说,比起于贵重的火箭燃料,时间可以说道是极为廉价——为了尽量节省燃料,在路上花上上个一年半载显然不是事儿。

  尽管路程不相等直线距离,但去往更加很远的火星,仍然必须我们有更加强劲的火箭。  以前年升空嫦娥四号的长征三号乙火箭为事例,这枚火箭的地月移往轨道运力近4吨,把总质量3780公斤的嫦娥四号着陆器+玉兔二号月球车必要送到地月移往轨道早已是无限大。

如果让这枚火箭升空火星探测器,折算成地火移往轨道运力就只剩2吨多了——去往火星之于去往月球,运输能力打了7腰。  更加真是的是,比起于只有着陆器和视察器的嫦娥四号任务,必须重复使用已完成绕落巡愿景的天问一号三件套总重大约5吨,比嫦娥四号两件套还轻了1吨。  也就是说,不管是天问一号去往火星,还是比嫦娥四号更加轻的嫦娥五号任务去往月球,我们都必需等候运输能力更加强劲的火箭研制已完成,那就是——长征五号。 不不,不是昨天放的长五B,那是打近地轨道哒。

改编自:CNSA  江湖人称“胖五”的长征五号火箭,经历过确实的至暗时刻。  2016年11月3日,长征五号遥一火箭虽然二级出有了些状况,但不算顺利完成任务,将实践中十七号卫星送到地球惯性轨道。  2017年7月2日,长征五号遥二火箭升空告终,带着实践中十八号卫星一起葬身太平洋,也必要造成原计划2017年11月升空的嫦娥五号月球取样回到任务推迟。

  之后,就是在黑暗中漫长的思索,找寻故障原因,大大测试和检验。  908个日日夜夜,这黑暗如此漫长。  直到2019年12月27日,长征五号遥三运载火箭顺利将实践中二十号卫星送到预计轨道。几经艰辛,王者回来。

长征五号遥三升空升空。这份沉甸甸的顺利背后,是无数航天工作者们两年多的呕心沥血,是无数中华儿女的结实和奋发 | 我们的太空 史悦 吕炳宏  2020年1月19日,长征五号遥四火箭的氢氧发动机已完成了总装出厂前的最后一项检验:100秒校准试车——标志着这台发动机性能超过预计拒绝,将要转至火箭总装阶段。  长征五号遥四,就是负责管理升空天问一号的火箭。来源:中国航天科技集团  自此,天问一号才再一获得抵达的确保,确认可以跟上2020年7月这次火星升空窗口。

目前公开发表的中国火星探测器实拍照片 |中国航天科技集团  测控和数传:4亿公里外的讯息传送  解决问题了如何让5吨重的天问一号探测器“上天回国火”的难题,才意味着是个结尾。  火星更远时距离地球4亿公里,是地月距离的1000倍。从这个角度来说,月球真是可以说道是“近在咫尺”。

  而距离越大,不仅信号传输时间就越宽,更加最重要的是信号波动也就越轻微。比起于月球,很远的火星似乎为地球与探测器之间的通讯带给了更大的挑战。  与火箭和探测器维持通讯,或者说“测控和数传”,可以拆卸分成三个方面的问题:1)追踪(火箭、探测器的)方位和速度;2)向探测器发送到指令;3)接管探测器传到的观测数据。

  而这三个方面都必须强劲的地面站,或者说数目更加多、产于更加甚广、口径更大的地面天线,这不是一朝一夕可以已完成的。  事实上,中国从嫦娥任务开始就早已在一步一个脚印地重新组建深空测控和地面接管网了。  2011年,佳木斯66米和喀什35米天线基本竣工, 同年11月就投放了嫦娥二号任务卡西尼号小行星图塔蒂斯等先前扩展任务的S频段测控反对,之后更远追踪嫦娥二号至约1亿公里才失联。佳木斯深空车站(北纬46°2937, 东经130°4612)66米天线和喀什深空车站(北纬38°2634.7, 东经76°4340.3)35米天线  2013年,佳木斯深空车站和喀什深空车站月竣工并投入使用,同年12月月重新加入嫦娥三号任务的测控工作,首次利用X频段已完成了嫦娥三号地月移往、环月、动力上升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获取各项测控反对。没想到吧,虽然玉兔号早就暂停工作,但嫦娥三号仍然结实。

2019年12月7日,嫦娥三号着陆器顺利苏醒,打开了第75个月昼的工作。| CNSA  2017年底,阿根廷35米天线深空车站竣工,旋即就在2018年5月升空的嫦娥四号中继星鹊桥任务中月投入使用。

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在这次任务中,阿根廷、佳木斯和喀什车站联合为鹊桥中继星获取了S频段测控反对,这也是3个测控站首次已完成全网协作。阿根廷深空车站(南纬38°11′28.90″, 西经70°8′58.20″)35米天线及附近地形  自此,中国早已可行性重新组建了自己的深空测控网。

全球主要深空测控设施产于。累计目前,我国深空测控网由中国中国西北部喀什地区35米深空车站、中国东北部佳木斯地区66米深空车站和坐落于南美洲阿根廷的35米深空车站构成  2018年12月,嫦娥四号升空,佳木斯、喀什、阿根廷3车站为嫦娥四号的飞行中、降落、月腹工作获取了X与S频段测控通信反对,全面检验了中国的深空测控能力。

嫦娥四号任务的月腹通讯  在此基础上,为了火星和接下来很远的深空观测任务,中国还在之后增强测控网的建设,向着更大、更加多、更加甚广的目标迈向。  2019年10月底,西安卫星测控中心坐落于喀什的3台35米天线已完成吊装。多个天线可以分开工作,也可以构成天线阵列,超过更大口径天线的效果。喀什新的天线的吊装 | 我们的太空  另一边,在观测数据的接管方面,除了之前有数的密云40米和50米、昆明40米等天线之外,2020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)吊装顺利,预计到2020年10月投入使用,可以在天问一号到达火星之后重新加入数据接管工作。

 来源:人民日报  任探测器飞来得再远,都能“捉得寄居”,“缴获得”,这是我们迈进星辰大海的前提和确保。  降落火星:挑战“探测器坟场”  即使成功飞到火星附近,地面站也没有和探测器失联,对于一个降落任务来说,只不过才只顺利了一半。  这一点也没滑稽。

从1960年人类第一次尝试升空火星探测器至今,一共有15次火星降落任务顺利转入了火星大气层,但只有8次任务顺利降落并顺利开展观测工作——近一半的失败率让这颗红色星球至今还保留“探测器坟场”的称号。累计2020火星升空窗口之前的火星降落版图,括号里的是到达年份。数据来源:MOLA,制图:haibaraemily  降落火星比降落月球要危险性得多,这相当大程度上要怪火星有大气层。

尽管火星大气层很平流层,表面大气压只有地球的6%,但也不足以构成一个“屏障”,让没什么牵制的探测器“并未约火星再行烧坏”了。  但也不是说道火星大气没一点益处,事实上,火星大气的不存在让着陆器任务有了利用大气摩擦滑行和用于降落伞滑行的空间,这些都能减轻之后用于后坐火箭滑行的压力。

  总之,比起于非常简单必要的月球降落任务,火星降落任务多了很多简单的步骤。例如降落组件得再行被塞进一个防水盾里维护一起,降落伞必需一拳进撑得住,滑行到一定程度防水盾还要打得进抛掷得丢弃…… 而这些都得靠探测器自律辨别和已完成。  更加简单,也往往意味著更加多不确定性。任何一个操作者环节经常出现问题,都可能会让探测器无法顺利降落。

这对于第一次尝试降落火星的中国来说,似乎有太多太多极大的挑战。  例如降落伞,叶培健院士就回应要“反反复复捉降落伞”。欧空局和俄宇航的ExoMars 2020任务,相当大程度上就是因为降落伞不过关,而解散本届火星赛季的。

来源:央广网、  例如着陆器如何已完成最后阶段的滑翔、避障和上升操作者。2019年11月14日,仿真火星重力环境下的天问一号着陆器滑翔避障试验在河北宣化已完成。来源:央广网、  当然,还有一点决不托的,是嫦娥工程的技术累积。从2007年到2018年,嫦娥一号到四号通过四次任务逐步构建了月球的环绕着、降落和视察,这其中累积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:搜月工程数据公布与信息服务系统  探寻火星,预见是一条充满著挑战的荆棘之路,但也是中国想迈进行星,去往很远的星球所必需夺下的起点。  天问一号,打气!。


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