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火星探测|中国首次自主“火星旅行” 解构“太空多面手”环绕器

中新网上海7月23日电 题：中国首次自主“火星旅行” 解构“太空多面手”环绕器
作者 郑莹莹 郭超凯
说走就走的“火星旅行”？没那么简单 。 筹备多年 ， 23日 ， 中国终于开启首次自主火星探测任务 ， 当天 ， “天问一号”探测器“乘坐”长征五号遥四运载火箭 ， 奔向太空 ， 计划一次实现“环绕、着陆、巡视”三大“旅行目标” 。
中国自主火星探测任务的论证工作从2010年开始 ， 至今10年 。 最终成行的这趟“火星旅行”里 ， 团队各个成员都练就一身本事 ， 其中 ， “太空多面手”环绕器更是“一器分饰多角” ， 计划完成“太空刹车”等高难度动作 。 环绕器的总体设计与研制工作由中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院承担 。
三大功能：飞行器、通信器、探测器
“天问一号”探测器重约5吨 ， 由环绕器和着陆巡视器组成 ， 计划经过大约7个月的飞行 ， 最终抵达火星 。 探测器到达火星后 ， 着陆巡视器会择机分离 ， 并降落到火星表面 ， 开展探测 ， 环绕器将绕着火星转圈 ， 给火星拍照 ， 获得其地形地貌、土壤成分和地下水冰等特性 。
采访人员从中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院了解到 ， 环绕器具备三大功能：飞行器、通信器和探测器 。
飞行器——约7个月的飞行过程中 ， 环绕器首先作为飞行器 ， 将着陆巡视器送至火星着陆轨道 。
通信器——待成功释放着陆巡视器后 ， 环绕器作为通信器 ， 为着陆巡视器建立与地球之间的中继通信链路 。
探测器——通信工作结束后 ， 环绕器作为探测器对火星进行科学探测 。
四大挑战：旅途超过4亿公里、环环相扣
“火星旅行”难度颇大 ， 对第一次自主探测火星的中国研制团队来说 ， 更是挑战重重 。 首次火星探测任务探测器系统副总指挥兼环绕器总指挥张玉花介绍 ， 团队在研制过程中攻克了火星制动捕获等关键技术难点 。 总体而言 ， 环绕器面临四大挑战 。
飞行时间长——此次地火飞行路径超过4亿公里 ， 在漫长的7个月里 ， 任何一个环节出问题 ， 都将前功尽弃 。
面临环境差——由于器地距离远 ， 导致通信时延大 ， 当地球与探测器相距最远时 ， 单向通信延时将达到22分钟 ， 一来一回通信延迟将达到44分钟；同时 ， 因为空间信号衰减 ， 环绕器接收到的信号非常微弱 ， 环绕器需要克服巨大的信号衰减、传输时延和外界干扰等因素 。
控制要求高——由于器地通信的时延和长期日凌中断问题(当探测器、地球和太阳位置处于同一直线时 ， 太阳辐射会干扰地火之间的射频信号传输 ， 导致通信中断 ， 称之为“日凌”) ， 环绕器需要具备很强的自主姿态控制能力 ， 才能确保探测器的安全 。 同时 ， 由于中国对火星空间和行星际空间的复杂环境还很陌生 ， 很多步骤只能依靠自主判断来完成 ， 挑战很大 。
【火星探测|中国首次自主“火星旅行” 解构“太空多面手”环绕器】空间动作繁——环绕器不仅在不同阶段扮演不同角色 ， 在扮演同一角色时 ， 还要同步完成多项操作 ， 动作复杂意味着更多的不确定性 。
五大环节：“太空刹车”难度高
环绕器设计寿命3年 ， 重量在3.6吨左右 。 其此次任务涉及五个主要环节：地火转移、火星捕获、离轨着陆、中继通信、科学探测 。
首次火星探测任务探测器系统副总设计师兼环绕器总设计师王献忠介绍 ， 环绕器负责携带着陆巡视器 ， 主要完成地火转移、火星制动捕获、轨道调整等任务；择机实施器器分离后 ， 继续提供3个月的中继支持服务；而后在遥感轨道 ， 通过携带的高分辨率相机、中分辨率相机、次表层探测雷达等有效载荷 ， 对火星开展约一个“火星年”(火星每687天才能绕太阳一圈 ， 即火星的“一年”比2个地球年略短)的科学探测 ， 实现对火星的全球普查和局部详查 。
其中 ， 在地火转移段 ， 环绕器需要进行4至5次的中途修正和1次深空机动修正飞行 ， 经过超4亿公里的路径 ， 才能逐渐飞近火星 。
而在发射约200天后的火星捕获段 ， 探测器距离地球近1.93亿公里 ， 单向通信时延约11分钟 ， 届时只能通过自主管理制动点火进入火星捕获轨道 。 而这一脚“刹车”(制动过程)风险非常高 ， 踩早了 ， 速度降得过低 ， 就会坠入大气层撞击火星；踩晚了 ， 就不能被火星引力捕获 ， 因而飞离火星 。
进入捕获轨道后 ， 环绕器还将作为“信使” ， 为地球与着陆巡视器提供为期3个月的中继通信服务；而后结束中继任务 ， 进入科学探测轨道进行探测任务 。 (完)


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