時間:?2020年07月23日?| 作者:?Admin?| 來源:?環(huán)球科學(xué)

2020年7月23日12時41分，長征五號遙四運載火箭托舉著我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。?

來源? 環(huán)球科學(xué)、中國科普博覽、學(xué)術(shù)頭條等

此次發(fā)射的天問一號探測器，將由長征五號運載火箭送入地火轉(zhuǎn)移軌道，將在飛行約 7 個月后抵達火星。經(jīng)歷火星捕獲、火星停泊后，著陸巡視器將與環(huán)繞器分離，進入火星大氣。著陸巡視器成功著陸后，火星車駛離著陸平臺，搭載的科學(xué)載荷開機，開始火星表面巡視探測。

沒有先例的挑戰(zhàn)

通常來說，火星探測有三種方式：在軌道上繞火星飛行進行較遠距離探測的環(huán)繞器，降落到火星表面，原地進行探測和實驗的著陸器，以及能在火星上運動的巡視器（火星車）。

在“天問一號”中，我國計劃在首次發(fā)射中一次性實現(xiàn)“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，這在世界航天史上還沒有過先例。即使我們有了一定的探月經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，但也面臨著很大的挑戰(zhàn)。

難度主要存在于在地火距離遙遠以及對火星環(huán)境的不了解上。相比地月距離，地球與火星的距離非常遙遠，最遠時約為 4 億千米，最近時也有約 5600 萬千米。以我國這次將要發(fā)射的火星探測器為例，需要飛行 200 多天才能到達遙遠的火星。這帶來的首個挑戰(zhàn)，就是在攜帶燃料有限的情況下，探測器如何能夠飛越如此遙遠的距離，這就需要研究者對探測器飛行軌道進行精密的設(shè)計。

根據(jù)計劃，火星探測器會按照“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”飛行。在“天問一號”火星探測器發(fā)射升空后，會先在地球附近加速，進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道利用慣性保持飛行，慣性飛行過程中不需要消耗燃料。等到達火星軌道時，探測器會“剎車”降低速度，最終被火星捕獲。這就是本次火星探測任務(wù)第一階段的目標(biāo)：環(huán)繞火星飛行。

若想成功進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，對火箭的運載能力和入軌精度有很高的要求。月球探測器進入地月轉(zhuǎn)移軌道所需的速度是 10.9 km/s，而火星探測器進入霍曼轉(zhuǎn)移軌道的速度至少要達到第二宇宙速度（11.2 km/s）。因此，這次發(fā)射任務(wù)使用了新一代運載火箭中推力最大的“胖五”——長征五號運載火箭。在成功進入太空后，整流罩中的火星探測器會與火箭“星箭分離”，獨自飛向火星，這段旅程大概需要 6~7 個月。如果一切順利，探測器預(yù)計于明年 2 月左右到達火星引力勢場內(nèi)，切入火星軌道，被火星捕獲。這個捕獲的階段非常關(guān)鍵：在切入火星軌道時，如果切入點離火星太近，探測器可能會墜毀；如果太遠，探測器可能無法被引力捕獲而掠過火星。

登上火星有多難

若能成功切入火星軌道，再經(jīng)過多次調(diào)整，環(huán)繞器就可以進行環(huán)繞探測了。這時我們將迎來本次火星探測任務(wù)的第二個階段，也是最大的難點——火星著陸?；鹦翘綔y器需要將 4.8 km/s的超高速，減到火星著陸時的 0，這個過程只有 7 分鐘左右，也被稱為“恐怖7分鐘”。著陸器何時開始減速進入火星大氣、進入的姿態(tài)、進入的角度都需要精準(zhǔn)的控制，然而問題在于，我們對于火星上的環(huán)境，尤其是大氣狀況的了解非常有限。再加上地火距離遙遠，從地球發(fā)送到火星的單程無線電信號，單程延時為 20 分鐘左右，難以依靠地球指揮著陸。

“天問一號”任務(wù)計劃采用的減速方式將分為四個階段進行。第一個階段是氣動減速段，探測器會踩下“急剎車”，在大約 290 秒內(nèi)將速度從 4.8 km/s迅速降低到 460 m/s。接下來探測器將打開降落傘，在大約 90 秒后，速度會降到約 95 m/s。隨后進入第三個階段——動力減速段，探測器的反推發(fā)動機開始工作，在 80 秒內(nèi)將速度降到 3.6 m/s以下。當(dāng)探測器距離火星表面約 100 m高時，就進入了最后的著陸緩沖段，探測器準(zhǔn)備開始懸停避障。此時探測器的速度已經(jīng)很慢了，探測器會自主觀察火星表面，快速計算出最佳著陸點。最終它將水平移動到該點上方，伸出“四條腿”，并在穩(wěn)定著陸后展開舷梯釋放火星車。

全新的發(fā)現(xiàn)

火星是太陽系中與地球環(huán)境最為相似的行星，了解火星對研究地球早期歷史和生命起源有著重要價值，也對人類拓展生存空間具有重要意義。如果“天問一號”探測任務(wù)成功完成，將為我們提供關(guān)于火星的大量全新信息。

例如，為了繪制火星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖，環(huán)繞器和火星車都配備了探地雷達。環(huán)繞器上的雷達可以“看透”幾千米深的地層，而火星車上的雷達雖然看不到這么深，但分辨率卻能達到厘米級。這或許能幫助我們了解火星地表以下的水冰分布。

而“天問一號”另一項激動人心的任務(wù)，是探測火星的磁場。目前有理論認(rèn)為，火星曾擁有和地球類似的磁場。然而隨著火星內(nèi)核中熔融的鐵逐漸冷卻，它的磁場也逐漸減弱甚至消失。失去了地磁場的火星被暴露于太陽風(fēng)和輻射下，并導(dǎo)致其失去了地表水和大氣?；鹦堑拇艌鼍烤拱l(fā)生過怎樣的變化？“天問一號”環(huán)繞器與火星車將為我們提供更多的證據(jù)。

除此之外，環(huán)繞器和火星車還將搭載礦物光譜儀、高能粒子分析儀、激光擊穿光譜儀等多種儀器。這些設(shè)備將幫助遠在地球的科學(xué)家研究火星巖石、土壤和大氣的成分，更好地了解火星環(huán)境。

目前，全球共有四大火星探測器發(fā)射計劃，分別是中國天問一號、美國毅力號、阿聯(lián)酋希望號(由日本 H-2A 火箭發(fā)射)，以及歐盟及俄羅斯的羅莎琳德·富蘭克林。

在 2020 這個火星探索年中，先行一步的是阿聯(lián)酋的希望號。北京時間 2020 年 7 月 20 日凌晨 5 點 58 分，阿聯(lián)酋首顆火星探測器“希望”號由日本運載火箭發(fā)射升空，發(fā)射地點位于日本的種子島航天中心。而歐盟及俄羅斯的 ExoMars 2020 已經(jīng)于三月中旬決定推遲到 2022 年發(fā)射，官網(wǎng)的名字也改為了 ExoMars2022，實錘成為“退群選手”。

“天問一號”將成為中國航天者向太空發(fā)問的第一步，也是中國航天走向深空的里程碑。