“天问一号”这一趟火星之旅是为了什么?这是中国深空探测的新起点

“日月安属?列星安陈?”

两千多年前,诗人屈原的长诗《天问》,展现出了我国先辈对宇宙洪荒、天地自然的思索与探寻之心。如今,随着现代天文技术的进步,浩瀚宇宙的神秘面纱正一层层被揭开。

中国60多年航天事业的发展,探月工程“五战五捷”的积累之下,2016年1月,中国批准立项了自主执行火星探测的任务。到2020年4月24日(中国航天日),中国行星探测任务被正式命名为“天问系列”。这一系列决定,彻底打开了我国首次“火星旅行”以及未来探索更多行星的局面。

7月23日12时41分,“天问一号”在海南文昌航天发射场点火启程。它前往的目的地,正是距离地球5500多万公里、最远距离达到4亿公里,被称为地球“姊妹星”的火星。而本次“探火”任务的进行,也将成为我国进行更多行星探测的起点,拉开中国航天向更遥远深空求索的序幕。

“天问一号”的成功发射,只是走出了万里长征第一步。根据目前的计划,火星探测器将于2021年2月11日前后进入环绕火星运行的轨道,并于2021年4月23日通过着陆器降落火星车到火星表面,进行设计寿命90天的探索工作。

“这是我国航天史上新的里程碑。因为作为脱离地球引力场的深空探测,这是中国的第一次。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新告诉红星新闻记者。

“天问一号”这一趟火星之旅是为了什么?这是中国深空探测的新起点

“天问一号”在海南文昌发射

“天问一号”首开中国火星探测

一次性完成“绕、着、巡”三大任务有多难?

现代天文学崛起后,人类一直行进在通往火星的道路上。

从1964年“水手4号”火星探测器发射,1965年回传第一张火星表面照片开始,50多年时间里,人类已先后开展了约50次火星探测。但与其他国家的火星探测不同,“天问一号”将三步并作一步走,计划通过一次发射,实现“绕、着、巡”(火星环绕、着陆和巡视探测)三大任务,而这在国际上尚属首次。此前美国海盗1号、海盗2号火星探测器,也仅仅是通过一次发射实现了环绕、着陆两种探测目标。

“比如其他国家过去进行的火星探测,若要完成这三项任务,可能需要分三次进行发射。按照每26个月出现一次探测窗口期,这三个步骤耗时很长。”焦维新向红星新闻记者解释,如果三个项目每次都单独发送,那么每次都能单独解决相应的问题。但如果一次性完成,就需要在短时间内一次性解决三个步骤可能遇到的所有问题。

而之所以“天问一号”要在一次发射中完成三项任务,焦维新认为,这样可以大大节省“探火”的时间和燃料成本。但不可否认的是,这三项举措在落实上,每一步都面临重重障碍。

焦维新解释称:首先是“绕”,这一环节主要依靠火星轨道器,它要求“天问一号”在接近火星时,速度必须从每秒3公里,减速到每秒1公里。如果速度不减下来,很可能会被吸入太阳系,如日本此前发射的轨道器,在该环节就出现过问题。但如果速度降得太快,轨道器又有可能直接撞击火星。此外,若减速过程发生在火星背面,那么又可能导致地球在20~30分钟收不到从火星发回的任何信号。

接着是“着”,即保证火星车顺利着陆火星,包括此次美国将要发送的“毅力号”,也只是专门向火星发送火星车。但着陆过程同样面临巨大挑战,因为着陆器需要在极快的速度下穿过大气层,此时温度迅速上升,且阻力巨大。此过程中,需要在火星车前部降温后,抛掉热防护罩,接着打开巨大的降落伞继续减速;下降到一定高度后,就要抛掉降落伞,打开反冲发动机,直到距离火星表面100米左右,才能进行准确着陆。

“在整个着陆过程中,着陆器何时开始减速、以何种姿态进入大气层、进入的角度等都需精准控制。”焦维新说,整个过程必须在7分钟内完成,而这也是人们常说的“魔鬼7分钟”。

完成上述工作后,火星车才开始在火星表面进行巡查,包括对火星表面地质结构、矿物、是否具有维持生命的物质等进一步探寻。而这一环节能有哪些新发现,也是本次“天问一号”综合实力的体现。

对于“天问一号”首开“绕、着、巡”一次发射完成的举措,焦维新表示:“这是技术上的一种创新和进步,如果能成功,就能让中国在短时间内实现更多的科学探索目的。”

“天问一号”这一趟火星之旅是为了什么?这是中国深空探测的新起点

“天问一号”升空

各国争相“探火”是为了资源争夺?

专家:火星更具有探索价值,能帮助人类更了解地球

可以说,7月是人类进行火星探测的“高光时刻”。包括“天问一号”在内,陆续有三艘航天器计划于7月底至8月初的发射窗口前往火星。如阿联酋“希望号”火星探测器,于北京时间7月20日清晨成功发射;美国国家航空航天局(NASA)的“毅力号”,预计于7月30日发射。

世界各国为何都在7月扎堆启动火星探测?对此,焦维新解释,由于火星、地球都绕太阳公转,相对位置不断变化,要等到火星比地球超前44度时,才能保证地球飞入火星轨道时,火星也正好处于相对位置,这时候也是火星距离地球最近的距离。因此只有每隔约26个月,才能等到地火直线距离最近。换言之,在这一窗口期前后,从地球发射火星探测器,就能让人类“探火”之旅时间更短、所携燃料更少、成本也更低廉。

焦维新指出,今年的火星窗口期,主要是在7月15日到8月5日之间,如果错过,下一个窗口期就要等到2022年9至10月。换言之,在这一窗口期前后,从地球发射火星探测器,就能让人类“探火”之旅”时间更短、所携燃料更少、成本也更低廉。

“但这并不是网友认为的,地球火星太阳在一条直线上,三者距离才最近。”焦维新强调,因为起点线不同,所以不能认为三大行星在一条线是最对距离,而是保持44度距离,才是最近距离:“这好比四百米赛跑,外圈不可能与内圈在一条起跑线上一个道理。”

那么,为何火星能引来各国的争相探索?甚至有声音认为,这是否是各国在开展对火星资源的争夺战?对此,焦维新给出了否定回答。

“即便已经有半个多世纪来研究宇宙,但就目前探测水平来看,还远远达不到对火星探测清晰明了的程度,更谈不上是对火星资源的争夺。”焦维新解释,之所以各国都争相进行火星探索,是因为相比于其他星球,比如金星条件太过恶劣,基本不可能有生命存在,所以也暂时实现不了我们希望的科学目标。相比之下,火星更具有探索价值。

“火星能反映出很多问题,这对我们了解地球会有帮助。”焦维新解释称,比如为什么同在内太阳系,各个行星演化的结果却有所不同?如果能找到何种原因导致各大行星演化结果的不同,那么我们就能更好地了解地球演化的过去。“通过对其他星系的考察,能找更多与地球有关的答案。”焦维新说。

至于对火星的争夺,焦维新认为,未来人类并不会如电影中演绎般,将大规模前往火星,因此也不可能由此出现争夺火星的现象。焦维新认为,从必要性来说,相比于地球,火星完全不具备人类生存的条件:“哪怕地球环境再恶劣,或者人口大爆炸,从必要性来说,改造地球上的沙漠,也比改造火星容易得多。”

火星之旅有多难?

“天文一号”出发后,还会遇到哪些难题?

2020年是中国火星探索元年。而在业界,火星素有“探测器坟场”之称。有数据显示,自上世纪60年代以来,人类的火星探测活动成功率不到50%,其余项目出现过探测器撞毁、失灵或失踪等情况。

“作为我国首次探火的经历,这其实对我国的导航技术、深空通讯技术、遥测技术等等方面,都是一次全方位的考验。”焦维新表示,“天问一号”出发后,最大的攻坚难题仍然是克服切入火星轨道并着陆的“魔鬼7分钟”。而如果本次探火全面成功,那也意味着未来我国航空航天技术将向更精细化迈进,各项系数的精度都会有所提升,未来这些技术也会转移至民用,为整体的科技进步奠定基石。

值得一提的是,本次承担“天问一号”发射任务的,是有“胖五”之称的长征五号运载火箭。而为了将探测器顺利送入地火转移轨道,“胖五”一度飞出了我国运载火箭的最快速度——每秒11.2千米的第二宇宙速度。

对此,焦维新也表示:“这是长征五号第一次执行硬任务,过去多是有效载额,影响不大,但此次专门为了探测火星,在速度上有了大的提升。”据了解,此前执行探月任务时,速度只用达到每秒10.9公里,而如今长征五号的速度已超过了每秒11.2公里。焦维新明确,通过执行本次任务,长征五号将未来能适应更多工作,系数也将更加精确。

那么,作为我国首次探火的“天问一号”,与此前各国进行的火星探测相比,有何不同之处?焦维新表示:“从轨道器、火星车、着陆器来讲,并无太大不同。本次‘天问一号’能达成的功绩,主要取决于后期的有效载额,比如是否能测量出火星大气中微量气体的成分等等,而这就取决于探测器等一系列的综合性能。”

“本次探火任务,主要还是集中于对火星的地质地貌、大气层的成分等基本内容进行探测。”焦维新透露,能不能取得良好的探测效果,一是取决于火星车本来的性能,二是和火星车的着陆点有很大关系:“着陆点不同,取得的科学成功也会有所不同。”

另据中国首次火星探测任务新闻发言人、国家航天局探月与航天工程中心副主任刘彤杰此前在公开接受媒体采访时介绍,本次“天问一号”在环绕器上,将对火星表面磁场、表面形貌及浅表层结构,甚至是水冰的含量进行探测。而火星车将探勘火星表面形貌,并分析物质成分,看浅表层结构,同时也会对磁场进行测量,对大气的气温、气压和温度进行测量,而这些都将有助于人类对火星的进一步了解。

“天问一号”升空,意味着什么?

这是中国脱离地球引力场深空探测的第一次

在火星使命牵引下的新一轮创新,对实现航天技术领域新跨越、推动我国由航天大国走向航天强国意义重大。而此次“天问一号”的升空,也将成为中国进行行星探索计划的启动键。

“这是我国航天史上新的里程碑。因为作为脱离地球引力场的深空探测,这是中国的第一次。”焦维新认为,相比于过去的探月,探测器并未脱离地球引力场范围,而本次挑战无疑更大。但如果能取得成果,这就能为我们探测更多行星提供信心和参考价值。

实际上,美国康奈尔大学航空工程师梅森·佩克也曾表态:“成功登陆火星将使中国跻身太空精英强国之列。”

而在探火之后,深空探测之路并不会因此停下脚步。中国科学院院士、中国航天科技集团有限公司科技委主任包为民曾在接受中新社记者采访时透露,2030年前后,中国还将实施火星采样返回、木星系探测等任务。

中国对于浩瀚宇宙的探索之路,也许在2020年7月23日之后,是另一个新的开始。

红星新闻记者 赵倩 特约记者 杨雨奇摄影记者 刘海韵

编辑 何先菊

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