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第73集 我国的火星探测之路(上)

第73集 我国的火星探测之路(上) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-18   浏览数:
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  在嫦娥探月工程不断取得成功之际,越来越多的中国航天人和爱好者将目光投向火星。2013年印度火星探测器发射后,热心的中国航天爱好者更是望穿秋水,期待着中国的火星探测器。2016年4月22日,国防科工局局长许达哲在就中国首个航天日举行的发布会上,宣布了火星探测任务正式立项的消息。按照计划,中国火星探测器使用“绕落巡”一体的设计,将在2020年7月发射,并于2021年抵达火星。那么,中国火星探测技术是如何一步步发展至今的呢?

  中国月球探测工程已经发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥五号T1,总计4颗探测器,未来还将发射嫦娥五号取样返回探测器、月球背面着陆的嫦娥四号和地月L2轨道的中继星,不仅过去的成就举世瞩目,更有未来的锦绣前程。相比之下,中国火星探测工程2016年才正式立项,未来也会有很大的不确定性。两个工程看起来是两个阶段的事情,很少有人留意到,中国的火星探测和月球探测几乎是同时起步的。 

  探月工程正式启动于2004年,嫦娥一号发射升空则是2007年10月24日。而早在2005年11月,中俄两国总理定期会晤中,就考虑制定联合双边太空探索计划,到2007年3月26日,两国签署联合探测火星和火卫一的合作协议。根据中俄两国的协议,俄罗斯将利用福布斯-土壤探测器空余的空间和运力,为中方搭载一颗火星探测器,这就是萤火一号的由来。 

  萤火一号火星探测器是中国航天少有的国际合作项目,选择借船出海而不是自力更生,是因为我们还缺乏深空探测能力。举例来说,当年中国发射的距离地球最远的卫星是双星计划中的探测一号,由于火箭入轨控制问题,长征火箭的导航制导控制系统恐怕暂时无法满足需求。 

  如果说火箭还可能改进满足需求的话,测控系统不足的问题就更大了。中国的航天测控网络,当时只具备对地球轨道目标的测控能力。为了满足嫦娥一号月球探测器的测控任务,需要在喀什和青岛站各新建一座18米的统一S波段测控天线,还借用中科院的大型射电望远镜,通过甚长基线干涉技术进行测控,从硬件到经验都不支持开展独立的火星探测。 

  深空探测作为纯科学性的领域,国际合作早已成为主流。国际合作的萤火一号项目,有助于中国弥补能力和经验的短板,多快好省地开展火星探测。合作,对中国航天是有利和必要的,只可惜后来的发展可谓“计划赶不上变化”。火星探测对中国航天来说仍然充满未知,无论是深冷温度环境的控制还是超低剩磁的控制,或是超远距离的测控和通信,都是不小的挑战。但上海航天八院研制萤火一号探测器陆续解决了这些技术难题,用23个月就完成了一般需要5年才能完成的研制任务。 

  遗憾的是我们的运气实在太差。由于俄罗斯方面研制进度滞后,福布斯-土壤探测器无法如期在2009年10月发射,发射日期只能推迟到大约26个月之后的下一次发射窗口。更糟糕的是,2011年11月9日福布斯-土壤探测器发射后,主发动机没能进行启动点火最后坠落太平洋,让萤火一号探测器也跟着出师未捷身先死。 

  萤火一号的失败,无疑给了中国火星探测当头一棒。在嫦娥一号探测器的成功和中国航天技术全方位进步的鼓舞下,2009年嫦娥一号总师叶培建等人曾雄心勃勃地表示,中国应该独立进行火星探测。他还表示,独立火星探测的投资将少于嫦娥一号。如果萤火一号项目成功的话,后续独立火星探测项目的成功立项是很有把握的。 

  萤火一号之后独立的火星探测方案不断出炉,其中,既有上海航天八院的萤火一号改进型方案,也有北京航天五院的嫦娥探测器改进方案。上海八院的方案中,火星探测器以萤火一号为主体,增加了推进巡航段,使探测器具备了独立飞向火星和进行制动进入火星轨道的能力,还增加了两个30-50千克的火星穿透撞击器,用于研究火星地质构造。 

  北京五院的方案更为大胆,他们以嫦娥一号平台为基础,更换用于火星探测的载荷,并增加了一个约50千克小型试验着陆器,将使用气动刹车辅助减速进行火星轨道,验证火星环绕探测和火星大气进入、下降和着陆的技术,总体水平类似欧洲的火星快车。北京航天五院的论文中甚至初步选定了火星着陆的区域,并欢迎其他国家在中国火星探测器上开展合作。 

  北京和上海的方案并没有停留在纸面上,且不说上海成熟的萤火一号,北京五院也进行了大量的研究,突破了火星测控通信的轻型应答机和轻质量天线,以及深空导航制导技术,还进行了火星着陆技术的研究,实际开展了软着陆气囊原理样机的空投演示试验。 

  根据航天部门的想法,早则2013年迟至2018年,发射火星探测器都是毫无问题的。火星探测不仅仅是个探测器,中国航天的运载火箭和测控网络都有了巨大的提高,探月工程中长征三号火箭不断改进提高制导精度,而喀什站35米、佳木斯站64米专用深空测控天线的建成,也让中国的深空测控能力有了飞跃性的进步。 

  遗憾的是,福布斯-土壤探测器两年的拖延和2011年的失败,无情地粉碎了这一切,让中国火星探测计划被打入冷宫。中国科学家并没有放弃独立开展火星探测的希望,2011年后仍然不断提出火星探测的倡议,但始终没有得到国家批准立项,只能眼睁睁地看着印度的曼加里安号火星探测器在2013年发射成功,并于2014年成功入轨。 

  或许是由于印度的成功,2013年中国航天火星探测的构想也有了较大的变化,从轨道器为主,外加撞击器或是试验性着陆器,一路升级为轨道器、着陆器和巡视器三位一体的概念,预定发射时间为2018年。北京五院和上海八院先后提出各自的方案,其中五院的方案较为高大上,配备了较大的火星车,需要长征五号火箭发射。而八院的方案着陆器和火星车都较小,甚至可以使用现有的长征三号乙火箭发射。 

  尽管从技术上来说,火星探测对中国人已经不再遥远,但国家始终没有正式立项,火星探测26个月一个窗口的限制,意味着错过一次就要再等两年多,于是计划中2018年发射的火星探测“绕落巡”探测器,也只能推迟到2020年了。 

  2016年1月11日,中国自主火星探测项目终于正式立项。根据目前公布的消息,中国的首个火星探测器将是一个空前复杂的环绕、着陆和巡视结合的项目。 

  根据报道,中国的火星探测器将在2020年7月使用长征五号大型运载火箭发射,轨道器携带着陆器经过地火轨道转移到达近火点附近,进行减速制动,进入环绕火星的大椭圆轨道。随后轨道器根据火星大气的具体情况,释放着陆器进行火星软着陆,着陆成功后火星车将在火星表面进行巡视探测,并通过轨道器的通信中继与地面控制站保持联系。 

  火星距离地球最近也有5500万千米,最远可达约4亿千米,这给火星探测活动带来了巨大的挑战。 

  火星遥远的距离,不仅提高了火星探测任务测控的难度,通信延时的问题也相当突出。地球火星距离最远4亿千米,单程信号延迟23分钟。如果说月球探测中地面还能较为灵活地控制探测器的话,那么对于火星探测而言,就必须要求探测器具备自主管理和自主导航的能力。 

  中国的火星探测器还要进行着陆和巡视探测,更提高了探测器自主执行任务的难度。火星大气进入、下降和着陆的过程中,地面不可能对着陆器遇到的意外做出反应,而火星车工作时,更是有可能面对长达46分钟的通讯延时。幸运的是,嫦娥三号和玉兔号月球车在自主着陆和巡视上,已经作出了一定的探索,减轻了火星探测器的研制压力。那么,在火星探测之路上,还有哪些新的问题要面对呢?中国火星探测的未来又如何发展呢?欢迎您继续关注后续精彩内容。 

  好的,今天的非常科学到这里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”来关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们节目组进行互动。主持人亚楠代表编辑制作感谢大家的收听,并诚邀您明天同一时间继续与我们相约《非常科学》。 


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