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          天問一號成功入軌!「問天」究竟有多難?

          共 3583字,需瀏覽 8分鐘

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          2021-02-13 16:19


          天問一號成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星。

          作者 | 付靜
          昨晚,在近 7 個月的跋涉之后,我國首個火星探測任務(wù)天問一號火星探測器終于如期進入火星軌道!
          據(jù)中國航天局官方消息:
          2021 年 2 月 10 日 19 時 52 分,天問一號探測器實施近火捕獲制動,環(huán)繞器 3000N 軌控發(fā)動機點火工作約 15 分鐘,探測器進入近火點高度約 400 千米,周期約 10 個地球日,傾角約 10o 的大橢圓環(huán)火軌道。


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          天問一號成功入軌

          國家航天局局長、此次火星探測任務(wù)工程總指揮張克儉宣布環(huán)繞火星成功。至此,天問一號成為我國第一顆人造火星衛(wèi)星,其“繞、著、巡”的三步計劃也順利開啟。
          截至昨晚成功實施火星捕獲,天問一號已累計飛行 202 天,飛行里程約 4.75 億千米,距離地球約 1.92 億千米,各系統(tǒng)狀態(tài)良好。
          雷鋒網(wǎng)了解到,從地火轉(zhuǎn)移階段進入到火星捕獲階段后,天問一號攜帶的中分辨率相機、高分辨率相機、磁強計、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測儀等載荷也將開始工作,對火星的多維度探測也要開始了。
          國家航天局表示:

          后續(xù)天問一號還將經(jīng)過多次軌道調(diào)整,進入火星停泊軌道,開展預選著陸區(qū)探測,計劃于 2021 年 5-6 月?lián)駲C實施火星著陸,開展巡視探測。

          對此,NASA 科學任務(wù)副局長 Thomas Zurbuchen 在推特上表示:

          今日天問一號成功進入火星軌道,祝賀中國?;鹦侨杂泻芏辔唇庵i等待著我們?nèi)ヌ剿?,期待中國的成就?/strong>

          除了 NASA,歐洲航天局也通過推特表示祝賀。
          作為我國首個火星探測任務(wù),天問一號自 2020 年 7 月 23 日成功發(fā)射以來備受關(guān)注,其成功入軌的消息迅速登上各大社交媒體熱榜。
          網(wǎng)友紛紛表示:

          科技強國!新春大禮包來了!

          向天問一號送去我的新年祝福,新年快樂!

          中國視角,中國榮譽。


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          天問一號任務(wù)有多難?

          自上世紀 60 年代以來,探測火星就貫穿了人類航天史,但直到今天,全球范圍內(nèi)火星探測任務(wù)成功率也還不足五成。
          1960 年 10 月,前蘇聯(lián)連發(fā)史上首枚、第二枚探測器“火星 1A 號”和“火星 1B 號”,卻連地球軌道都未到達。
          此后,前蘇聯(lián)和美國的探測器或發(fā)射失敗、或失去通信聯(lián)系、或被燒毀,多次嘗試均以失敗告終。
          1964 年,失敗魔咒首次被打破。12 月 28 日發(fā)射的美國“水手 4 號”,于 7 個月后終于在距火星表面 9800 千米的上空掠過火星,向地球發(fā)回 21 張照片,這也是史上首個成功到達火星并發(fā)回數(shù)據(jù)的探測器。
          70 年代,火星探測器(美國“水手 9 號”)才首次進入環(huán)繞火星軌道。
          此后,日本、歐洲航天局、印度、阿聯(lián)酋、中國紛紛加入火星探測的隊伍,人類向火星發(fā)射航天器已有約 50 次——然而共有 11 次任務(wù)連地球引力范圍都沒突破,還有 5 次探測器中途失聯(lián)的情況。
          據(jù)了解,火星探測任務(wù)主要有四個類型:一是簡單的飛掠,主要用于航天技術(shù)尚不成熟的階段;二是環(huán)繞,探測器通過制動減速進入火星軌道;三是著陸,在火星表面詳細研究;四是巡視,火星車將攜帶多項科學儀器進行自由巡視。
          圖源知乎答主@太空精釀
          而天問一號要做的是一次性完成環(huán)繞-著陸-巡視的任務(wù),考慮到此前各國在火星探測方面的情況,其難度可見一斑。
          此前雷鋒網(wǎng)曾報道,此次任務(wù)之難,主要在于以下幾個層面:
          其一,即便在窗口期,火星也依舊是一顆遙遠的星球,探測器攜帶有限燃料出遠門,為探測器飛行軌道的精密設(shè)計提了很高的要求。
          其二,若探測器經(jīng)過 6-7 個月漫漫旅途后順利進入火星軌道,能否被火星捕獲也是一大難點,切入點的遠近直接關(guān)系到探測器是被捕獲、掠過火星還是墜毀。
          其三,整個任務(wù)最大的挑戰(zhàn)便是如何成功著陸火星。探測器將 4.8km/s 的速度降到 0,需要 7 分鐘左右,而這個過程也常被稱為「恐怖 7 分鐘」。何時減速、進入大氣的姿態(tài)與角度如何,都需要精準控制,但鑒于人類對火星的認知不足,加之地火之間單程無線電信號的延時問題,依靠地面指揮實屬不易。
          幸運的是,天問一號已克服了兩大難題。
          這里需要解釋的是,昨夜天問一號之所以能被火星捕獲,關(guān)鍵在于一個動作——剎車。
          根據(jù)機械能守恒定理,要造訪火星,天問一號這個「外來者」的機械能大于 0,但只有設(shè)法減少機械能,天問一號才能進入軌道,否則可能出現(xiàn)飛掠火星的情況。
          據(jù)中科院地質(zhì)地球所,這種情況下只能進行航空器剎車的操作:

          當今航天器的剎車方法主要有兩種,一是利用行星大氣層阻力和空氣動力的“大氣剎車”,二是利用火箭發(fā)動機的反向推進剎車。

          此次天問一號采取了后者——一方面,天問一號分為軌道器與著陸器(巡視器)兩大部分,軌道器要長期留在火星的穩(wěn)定軌道上,不能一股腦地剎車;另一方面,我國對于火星大氣環(huán)境,包括密度分布、溫度分布、風場等等都知之甚少,美國在公開論文中給出的數(shù)據(jù)不夠精細,也不能輕信。

          據(jù)了解,除了昨夜的第一次點火,天問一號還將會通過 2 次點火保證自己處于火星軌道上。
          下圖是最初計劃的天問一號軌道機動示意。
          接下來,天問一號將在繞著火星跑的同時,通過自帶的各種科學儀器對火星的地形地貌、大氣特征、風速、氣候等特征進行分析,大約 100 天后,它將降低軌道,拋出著陸器。
          也就是說,到時候我們就該聽到天問一號正式著陸火星的好消息了!


          3


          中國躋身「火星國家」行列

          對于中國來說,2021 年 2 月 11 日不只是一個普通的臘月二十九,它是中國躋身「火星國家」行列的一天。
          早在 2016 年 1 月 11 日,中國火星探測任務(wù)正式立項,給 2020 年左右發(fā)射火星探測器的想法埋下了種子。
          此后,我國火星探測任務(wù)按計劃順利推進:
          • 2019 年 10 月,中國火星探測器亮相。

          • 2019 年 11 月,中國火星探測任務(wù)首次公開。

          • 2020 年 4 月 24 日,第五個“中國航天日”,國家航天局正式宣布我國行星探測任務(wù)命名為“天問”、我國首次火星探測任務(wù)命名為“天問一號”。

          • 2020 年 7 月 23 日 12 時 41 分,海南文昌航天發(fā)射場,搭載著“天問一號”的長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射,我國首個火星探測任務(wù)開啟。

          • 2020 年 7 月 27 日,地面人員控制天問一號在飛離地球約 120 萬公里處回望地球,獲取了地月合影。

          • 2020 年 8 月 2 日 7 時,在飛控團隊控制下,天問一號完成第一次軌道中途修正。

          • 2020 年 8 月 28 日,天問一號已在軌飛行 36 天,飛行歷程突破 1 億公里。

          • 2020 年 9 月 20 日 23 時,在飛控團隊控制下,天問一號完成第二次軌道中途修正。

          • 2020 年 10 月 1 日國慶節(jié)當天,國家航天局發(fā)布天問一號首次深空和國旗“自拍”。

          • 2020 年 10 月 9 日 23 時,在飛控團隊控制下,天問一號完成一次深空機動。

          • 2020 年 10 月 28 日 22 時,在飛控團隊控制下,天問一號完成第三次軌道中途修正。

          • 2020 年 11 月 17 日,天問一號已在軌飛行 116 天,飛行里程突破 3 億公里。

          • 2021 年 1 月 3 日,天問一號已在軌飛行 163 天,飛行里程突破 4 億公里。

          • 2021 年 2 月 5 日 20 時,天問一號完成第四次軌道中途修正,并傳回了在距火星約 220 萬公里處拍下的首幅火星圖像。

          終于,我國首次火星探測任務(wù)已由地火轉(zhuǎn)移階段順利進入火星捕獲階段!
          昨日晚間,央視正式官宣 2021 牛年春節(jié)聯(lián)歡晚會節(jié)目單,在節(jié)目單上有個名為《向祖國報告》的特別節(jié)目,天問一號、嫦娥五號、神舟飛船、北斗三號總設(shè)計師等嘉賓將出現(xiàn)在鏡頭前。農(nóng)歷牛年前夕,天問一號的故事必將為節(jié)日增添一份別樣的儀式感。
          最后,愿你新春快樂。


          本文參考來源:

          • http://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6811243/content.html
          • https://mp.weixin.qq.com/s/cOjTEu4-PLUmk8UEKRbUTg
          • https://www.zhihu.com/question/443835163



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