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科学|中国首次火星探测的四大看点



科学|中国首次火星探测的四大看点
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【科学|中国首次火星探测的四大看点】
科学|中国首次火星探测的四大看点
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本报采访人员 刘 扬 樊 巍 本报特约采访人员 柳玉鹏
编者按：7月23日12时41分 ， 我国在文昌航天发射场用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务“天问一号”探测器 ， 火箭飞行约2167秒后 ， 成功将探测器送入预定轨道 ， 开启火星探测之旅 ， 迈出我国行星探测第一步 。 按照计划 ， 中国将在本次火星探测任务中完成“环绕、着陆、巡视”三大任务 。 这么重大的航天任务中 ， 包含哪些重大技术看点 ， 后续又有哪些不能错过的关键节点呢？探测这个红色星球的意义在哪里 ， 中国为什么要探火呢？
看点一：如何一次性完成“绕、落、巡”
当天发射圆满成功 ， 长征五号遥四运载火箭成功将探测器送入地火转移轨道 ， 但这只是“天问一号”一次性完成“绕、落、巡”系列任务的第一步 。 据介绍 ， 火星探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后 ， 到达火星附近 ， 通过“刹车”完成火星捕获 ， 进入环火轨道 ， 并择机开展着陆、巡视等任务 ， 进行火星科学探测 。
具体来讲 ， 任务后续计划分为以下几个环节：一是器箭分离后 ， 探测器太阳翼和定向天线相继展开 ， 在测控系统支持下 ， 飞行约7个月抵达火星 ， 其间进行深空机动和中途修正 。 二是探测器进入环火轨道并经过制动后 ， 通过2至3个月的环绕飞行后首选进入窗口 ， 其间在着陆区上空对着陆区开展探测 。 三是探测器择机实施降轨机动 ， 着陆巡视器与环绕器分离 。 环绕器升轨返回到停泊轨道 ， 为着陆过程提供中继通信 。 四是着陆巡视器进入火星大气 ， 依次完成配平翼展开、降落伞开伞、大底分离、背罩分离、动力减速、悬停、避障及缓速下降、着陆缓冲等动作 ， 在火星乌托邦平原软着陆 。 五是着陆巡视器安全着陆后 ， 火星车与着陆平台解锁分离 。 火星车驶离着陆平台 ， 开始巡视探测 。 环绕器进入中继轨道 ， 为火星车提供中继通信 ， 兼顾科学探测 。 六是火星车完成探测任务后 ， 环绕器进入使命轨道 ， 开展火星全球遥感探测 ， 兼顾火星车扩展任务中继通信 。
据《环球时报》采访人员了解 ， 我国首次火星探测任务起步虽晚 ， 但起点高、跨越大 ， 从立项伊始就明确提出在国际上首次通过一次发射 ， 完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务 。 如果这一目标能够在“天问一号”任务中顺利实现 ， 我国将成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家 。
据介绍 ， 首次火星探测任务的工程目标 ， 一是突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术 ， 实现火星环绕探测和巡视探测 ， 获取火星探测科学数据 ， 实现我国在深空探测领域的技术跨越；二是建立独立自主的深空探测工程体系 ， 包括设计、制造、试验、飞行任务实施、科学研究、工程管理以及人才队伍 ， 推动我国深空探测活动可持续发展 。
中国首次火星探测任务的科学目标 ， 主要是实现对火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等研究 。
为了相关科学目标 ， 火星环绕器携带7台仪器 ， 火星车携带6台仪器 ， 计划通过一系列科学探测建立起对火星全面而基础的认识 。
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩对《环球时报》采访人员表示 ， 这在人类火星探测史上是前所未有的 。 采用这种“一举三得”的探火方式 ， 起点高 ， 效益高 ， 但挑战大 。 如果成功 ， 我国深空探测能力和水平将实现跨越式发展 ， 成为世界第3个在火星着陆的国家 ， 第2个在火星巡视的国家 。 此外 ， 环绕器对火星进行普查 ， 火星车可以在着陆区火星表面详查 ， 这样就可以一次性获得更多成果 。
中国航天技术专家黄志澄23日对《环球时报》采访人员表示 ， 这次任务如果能“一气呵成”完成三大火星探测任务 ， 将创造一个人类探火的新纪录 ， 证明中国航天技术已经步入世界先进行列 ， 将是中国航天发展史的一个里程碑 。 ▲
看点二：“胖五”转正后首次发射
此次发射“天问一号”火星探测器是长征五号火箭第一次工程应用发射 ， 标志着长征五号火箭关键技术已逐渐成熟 ， 具备执行国家重大航天工程任务的能力和条件 。 在此次“探火”任务中 ， “胖五”表现亮眼 ， 在飞出中国火箭最快速度的同时 ， 将5吨重的“天问一号”送入地火转移轨道 。
在长征五号火箭出现之前 ， 我国火箭在不同轨道的最大运载能力分别为地球同步转移轨道（GTO）约5.5吨（长征三号乙火箭）和近地轨道（LEO）约13.5吨（长征七号火箭） ， 长征五号火箭的出现极大提高了这些数字 。 长征五号火箭总设计师李东介绍称 ， “作为我国首型5米芯级直径的大火箭 ， 长征五号火箭地球同步转移轨道运载能力可达14吨左右 ， 为建设空间站而研制的长征五号B火箭近地轨道运载能力可达25吨” 。
为了确保完成首次工程应用发射任务 ， “胖五”做了精心准备 。 根据发射任务要求 ， “胖五”需要托举火星探测器加速到每秒11.2公里以上的速度 ， 将探测器直接送入地火转移轨道 ， 开启奔向火星的旅程 。 此次“胖五”发射“天问一号”探测器 ， 在国内首次达到并超过第二宇宙速度 ， 飞出中国运载火箭的最快速度 。
对于普通发射任务 ， 1个发射窗口只需要设计1条火箭发射轨道 。 此次任务则不同 。 如果把发射比作打靶 ， 发射“天问一号”探测器就是在打移动靶 ， 因为地球和火星的相对位置在不断变化 ， 只有不断调整发射轨道 ， 才能让探测器入轨更精确 ， 在奔火过程中节约燃料 。 为此 ， 研制团队共设计42条发射轨道 ， 这在中国航天史上绝无仅有 。
据专家介绍 ， 长征五号系列火箭接下来会更加忙碌 ， 比如 ， 长征五号将继续深空探测之旅 ， 在年内发射嫦娥五号月球探测器实现对月球样本的采用返回；长征五号B火箭将作为空间站建设的“专属列车” ， 在未来2-3年时间内相继完成空间站核心舱和实验舱的发射 。 ▲
看点三：中国为何要去探火星
据公开数据统计 ， 迄今为止 ， 人类探火成功率很低 。 纵观人类航天史 ， 目前也仅有美国和苏联两国曾成功实现登陆火星 ， 其中美国的“海盗1号”和“海盗2号”火星探测器还是迄今为止唯一成功实现通过一次发射完成环绕探测和着陆探测的探测器 。
然而 ， 尽管探测火星是一项高风险的尝试 ， 却依旧让传统航天大国 ， 乃至非传统航天大国“趋之若鹜”, 自1996年以来 ， 几乎每隔26个月的发射窗口都有火星探测器发射任务 。 而在2020年夏 ， 就有三个国家的探测器会前往火星 ， 分别是阿联酋“希望”号、美国“火星-2020”和中国“天问一号”火星探测器 。
既然探测火星“胜算”不到一半 ， 为何如此多的国家还甘愿不计代价“放手一搏”呢？基于人类目前对于火星的认知 ， 火星是离地球较近且环境最相似的星球 ， 一直是人类走出地月系统开展深空探测的前站 。 在太阳系八大行星中 ， 火星的物理性质和化学性质与地球最为相近 。 火星主要是由硅酸盐岩石构成 ， 有类似地球的岩石地表 ， 火星拥有高山、平原和峡谷等多种地形 ， 南方充满陨石撞击的高地和峡谷 ， 北方则多是被熔岩填平的平原 ， 由于自转轴倾角和自转周期与地球相近 ， 火星的昼夜长短及四季变化与地球也几乎一样 。
在以往探测中还发现 ， 火星的表面似乎有液态水流过的痕迹 ， 现有证据已表明有水冰存在于火星极地的冰盖中 。 水的发现 ， 引发人们对于火星上是否存在孕育生命条件以及火星是地球过去还是地球未来的思考和探索 ， 研究火星对认识地球演变具有非常重要的比较意义 。 此次中国首次火星探测任务 ， 就将对火星的形貌与地质构造特征、火星表面物质组成以及火星表面土壤特征与水冰分布展开研究 。
此外 ， 与地球类似的是 ， 火星周围也有大气层 。 区别在于 ， 火星大气层的主要成分是二氧化碳 ， 但是人类可以通过技术手段对火星进行“改造” ， 从火星大气的二氧化碳中提取出氧气 ， 这样不仅可以供人类呼吸 ， 还能制成燃料 。
而基于人类现有的航天能力 ， 飞行时间8-10个月即可抵达火星 ， 相比更远的行星和卫星 ， 探索火星的任务周期更为合适 。
因为火星与地球有着较为类似的环境和探火不超越人类技术能力的可行性 ， 使得未来机器人或人类驻守火星成为可能 。 在载人登月之后 ， 火星也被公认为是人类登陆行星的首选目标 。
欧阳自远院士认为 ， 通过技术手段提高火星表面温度、增加火星大气浓度等 ， 可以进一步建立火星表面生态环境 。
不过 ， 将火星改造成为一个适宜人类生存与发展的绿色星球的远景是美好的 ， 但具体实施起来十分不易 ， 工程之浩大、成本之巨、技术难度之高、科学实施步骤之复杂是可想而知的 ， 可能需要人类通过几个世纪艰苦卓绝的努力才能实现 。 ▲
看点四：下个登陆火星的是谁
为了拓展第二家园 ， 开发地外生存空间 ， 从上世纪60年代开始 ， 美国、苏联、欧洲以及日本等都竞相开始探索火星的历程 。 而在火星表面登陆则是探索火星中难上加难的任务 ， 目前只有极少数国家的着陆器与火星车曾登陆火星表面 。
中国“天问一号”探测器发射之后 ， 按照计划 ， 美国“火星-2020”探测器也将携带“毅力”号火星车开启火星之旅 。 到底哪个火星车与着陆器将成为着陆在火星表面的下一个航天器呢？根据中国官方日前发布的信息 ， 中国首个火星车高度为1.85米 ， 重约240公斤 ， 设计寿命为3个火星月 ， 相当于92个地球日 。 专家表示 ， 美国“火星-2020”火星探测器中除了“毅力”号火星车 ， 还携带了世界第一架小型无人驾驶直升机“机智”号 ， 它将前往火星车无法到达的区域勘察 。
采访人员根据公开资料梳理了一下人类航天器登陆火星的案例 。 1971年5月 ， 苏联发射“火星3号”探测器 ， 其释放的着陆器由于遭遇火星沙尘暴 ， 在开始照相扫描22秒后与地球失去联系 。
1975年8月 ， 美国“海盗1号”升空 ， 其于次年7月释放的着陆器顺利落至火星表面 ， 向地面传回彩色照片 。
1996年12月 ， 美国“火星探路者”号发射 。 次年7月 ， 其所携带着陆器顺利落至火星 ， 释放出“索杰纳”号火星车 ， 实现漫游考察并发现远古水痕 。
2003年 ， 美国“勇气”号和“机遇”号火星车分别于6月和7月发射升空 。 2010年“勇气号”在服役6年后与地球失去联系 ， “机遇”号则于2019年2月14日正式停止工作 ， 为15年探索火星表面之旅画上完美句号 。
2011年11月 ， 美国“好奇”号火星车发射升空 。 2012年8月 ， “好奇”号火星车在火星表面着陆 ， 这是人类迄今在其他星球登陆的最精密移动科学实验室 。
2018年5月5日 ， 美国“洞察”号着陆器成功发射 ， 携带可深入星表下5米的钻头对火星进行深度钻岩 ， 并进行样品成分就位分析 ， 实现人类首次探究火星“内心深处”的奥秘 。
俄罗斯国家新闻社23日报道称 ， 俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天研究院专家亚历山大·热列兹尼亚科夫赞赏中国在火星探索方面的成功时称 ， 此次中国发射火星探测器不是为了竞争 ， 而是为了科学研究 。 热列兹尼亚科夫称 ， 发射火星探测器对中国来说是里程碑事件 ， 证明中国在航天领域不断发展 ， 不断占据应有的地位 。 ▲


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