天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？

本文作者：付靜

2021-02-11 14:51

導(dǎo)語(yǔ)：天問(wèn)一號(hào)成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星。

昨晚，在近 7 個(gè)月的跋涉之后，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器終于如期進(jìn)入火星軌道！

據(jù)中國(guó)航天局官方消息：

2021 年 2 月 10 日 19 時(shí) 52 分，天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器實(shí)施近火捕獲制動(dòng)，環(huán)繞器 3000N 軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作約 15 分鐘，探測(cè)器進(jìn)入近火點(diǎn)高度約 400 千米，周期約 10 個(gè)地球日，傾角約 10o 的大橢圓環(huán)火軌道。

天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？天問(wèn)一號(hào)成功入軌

國(guó)家航天局局長(zhǎng)、此次火星探測(cè)任務(wù)工程總指揮張克儉宣布環(huán)繞火星成功。至此，天問(wèn)一號(hào)成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，其“繞、著、巡”的三步計(jì)劃也順利開(kāi)啟。

截至昨晚成功實(shí)施火星捕獲，天問(wèn)一號(hào)已累計(jì)飛行 202 天，飛行里程約 4.75 億千米，距離地球約 1.92 億千米，各系統(tǒng)狀態(tài)良好。

雷鋒網(wǎng)了解到，從地火轉(zhuǎn)移階段進(jìn)入到火星捕獲階段后，天問(wèn)一號(hào)攜帶的中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、礦物光譜分析儀、離子與中性粒子和能量粒子探測(cè)儀等載荷也將開(kāi)始工作，對(duì)火星的多維度探測(cè)也要開(kāi)始了。

國(guó)家航天局表示：

后續(xù)天問(wèn)一號(hào)還將經(jīng)過(guò)多次軌道調(diào)整，進(jìn)入火星停泊軌道，開(kāi)展預(yù)選著陸區(qū)探測(cè)，計(jì)劃于 2021 年 5-6 月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開(kāi)展巡視探測(cè)。

對(duì)此，NASA 科學(xué)任務(wù)副局長(zhǎng) Thomas Zurbuchen 在推特上表示：

今日天問(wèn)一號(hào)成功進(jìn)入火星軌道，祝賀中國(guó)?；鹦侨杂泻芏辔唇庵i等待著我們?nèi)ヌ剿?，期待中?guó)的成就！

天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？

除了 NASA，歐洲航天局也通過(guò)推特表示祝賀。

作為我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)，天問(wèn)一號(hào)自 2020 年 7 月 23 日成功發(fā)射以來(lái)備受關(guān)注，其成功入軌的消息迅速登上各大社交媒體熱榜。

天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？

網(wǎng)友紛紛表示：

科技強(qiáng)國(guó)！新春大禮包來(lái)了！

向天問(wèn)一號(hào)送去我的新年祝福，新年快樂(lè)！

中國(guó)視角，中國(guó)榮譽(yù)。

天問(wèn)一號(hào)任務(wù)有多難？

自上世紀(jì) 60 年代以來(lái)，探測(cè)火星就貫穿了人類(lèi)航天史，但直到今天，全球范圍內(nèi)火星探測(cè)任務(wù)成功率也還不足五成。

1960 年 10 月，前蘇聯(lián)連發(fā)史上首枚、第二枚探測(cè)器“火星 1A 號(hào)”和“火星 1B 號(hào)”，卻連地球軌道都未到達(dá)。

此后，前蘇聯(lián)和美國(guó)的探測(cè)器或發(fā)射失敗、或失去通信聯(lián)系、或被燒毀，多次嘗試均以失敗告終。

1964 年，失敗魔咒首次被打破。12 月 28 日發(fā)射的美國(guó)“水手 4 號(hào)”，于 7 個(gè)月后終于在距火星表面 9800 千米的上空掠過(guò)火星，向地球發(fā)回 21 張照片，這也是史上首個(gè)成功到達(dá)火星并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)的探測(cè)器。

70 年代，火星探測(cè)器（美國(guó)“水手 9 號(hào)”）才首次進(jìn)入環(huán)繞火星軌道。

此后，日本、歐洲航天局、印度、阿聯(lián)酋、中國(guó)紛紛加入火星探測(cè)的隊(duì)伍，人類(lèi)向火星發(fā)射航天器已有約 50 次——然而共有 11 次任務(wù)連地球引力范圍都沒(méi)突破，還有 5 次探測(cè)器中途失聯(lián)的情況。

據(jù)了解，火星探測(cè)任務(wù)主要有四個(gè)類(lèi)型：一是簡(jiǎn)單的飛掠，主要用于航天技術(shù)尚不成熟的階段；二是環(huán)繞，探測(cè)器通過(guò)制動(dòng)減速進(jìn)入火星軌道；三是著陸，在火星表面詳細(xì)研究；四是巡視，火星車(chē)將攜帶多項(xiàng)科學(xué)儀器進(jìn)行自由巡視。

天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？

【圖源知乎答主@太空精釀】

而天問(wèn)一號(hào)要做的是一次性完成環(huán)繞-著陸-巡視的任務(wù)，考慮到此前各國(guó)在火星探測(cè)方面的情況，其難度可見(jiàn)一斑。

此前雷鋒網(wǎng)曾報(bào)道，此次任務(wù)之難，主要在于以下幾個(gè)層面：

其一，即便在窗口期，火星也依舊是一顆遙遠(yuǎn)的星球，探測(cè)器攜帶有限燃料出遠(yuǎn)門(mén)，為探測(cè)器飛行軌道的精密設(shè)計(jì)提了很高的要求。

其二，若探測(cè)器經(jīng)過(guò) 6-7 個(gè)月漫漫旅途后順利進(jìn)入火星軌道，能否被火星捕獲也是一大難點(diǎn)，切入點(diǎn)的遠(yuǎn)近直接關(guān)系到探測(cè)器是被捕獲、掠過(guò)火星還是墜毀。

其三，整個(gè)任務(wù)最大的挑戰(zhàn)便是如何成功著陸火星。探測(cè)器將 4.8km/s 的速度降到 0，需要 7 分鐘左右，而這個(gè)過(guò)程也常被稱(chēng)為「恐怖 7 分鐘」。何時(shí)減速、進(jìn)入大氣的姿態(tài)與角度如何，都需要精準(zhǔn)控制，但鑒于人類(lèi)對(duì)火星的認(rèn)知不足，加之地火之間單程無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的延時(shí)問(wèn)題，依靠地面指揮實(shí)屬不易。

幸運(yùn)的是，天問(wèn)一號(hào)已克服了兩大難題。

這里需要解釋的是，昨夜天問(wèn)一號(hào)之所以能被火星捕獲，關(guān)鍵在于一個(gè)動(dòng)作——?jiǎng)x車(chē)。

根據(jù)機(jī)械能守恒定理，要造訪(fǎng)火星，天問(wèn)一號(hào)這個(gè)「外來(lái)者」的機(jī)械能大于 0，但只有設(shè)法減少機(jī)械能，天問(wèn)一號(hào)才能進(jìn)入軌道，否則可能出現(xiàn)飛掠火星的情況。

據(jù)中科院地質(zhì)地球所，這種情況下只能進(jìn)行航空器剎車(chē)的操作：

當(dāng)今航天器的剎車(chē)方法主要有兩種，一是利用行星大氣層阻力和空氣動(dòng)力的“大氣剎車(chē)”，二是利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的反向推進(jìn)剎車(chē)。

此次天問(wèn)一號(hào)采取了后者——一方面，天問(wèn)一號(hào)分為軌道器與著陸器（巡視器）兩大部分，軌道器要長(zhǎng)期留在火星的穩(wěn)定軌道上，不能一股腦地剎車(chē)；另一方面，我國(guó)對(duì)于火星大氣環(huán)境，包括密度分布、溫度分布、風(fēng)場(chǎng)等等都知之甚少，美國(guó)在公開(kāi)論文中給出的數(shù)據(jù)不夠精細(xì)，也不能輕信。

據(jù)了解，除了昨夜的第一次點(diǎn)火，天問(wèn)一號(hào)還將會(huì)通過(guò) 2 次點(diǎn)火保證自己處于火星軌道上。

下圖是最初計(jì)劃的天問(wèn)一號(hào)軌道機(jī)動(dòng)示意。

天問(wèn)一號(hào)成功入軌！「問(wèn)天」究竟有多難？

接下來(lái)，天問(wèn)一號(hào)將在繞著火星跑的同時(shí)，通過(guò)自帶的各種科學(xué)儀器對(duì)火星的地形地貌、大氣特征、風(fēng)速、氣候等特征進(jìn)行分析，大約 100 天后，它將降低軌道，拋出著陸器。

也就是說(shuō)，到時(shí)候我們就該聽(tīng)到天問(wèn)一號(hào)正式著陸火星的好消息了！

中國(guó)躋身「火星國(guó)家」行列

對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，2021 年 2 月 11 日不只是一個(gè)普通的臘月二十九，它是中國(guó)躋身「火星國(guó)家」行列的一天。

早在 2016 年 1 月 11 日，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)正式立項(xiàng)，給 2020 年左右發(fā)射火星探測(cè)器的想法埋下了種子。

此后，我國(guó)火星探測(cè)任務(wù)按計(jì)劃順利推進(jìn)：

2019 年 10 月，中國(guó)火星探測(cè)器亮相。
2019 年 11 月，中國(guó)火星探測(cè)任務(wù)首次公開(kāi)。
2020 年 4 月 24 日，第五個(gè)“中國(guó)航天日”，國(guó)家航天局正式宣布我國(guó)行星探測(cè)任務(wù)命名為“天問(wèn)”、我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)命名為“天問(wèn)一號(hào)”。
2020 年 7 月 23 日 12 時(shí) 41 分，海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，搭載著“天問(wèn)一號(hào)”的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射，我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)任務(wù)開(kāi)啟。
2020 年 7 月 27 日，地面人員控制天問(wèn)一號(hào)在飛離地球約 120 萬(wàn)公里處回望地球，獲取了地月合影。
2020 年 8 月 2 日 7 時(shí)，在飛控團(tuán)隊(duì)控制下，天問(wèn)一號(hào)完成第一次軌道中途修正。
2020 年 8 月 28 日，天問(wèn)一號(hào)已在軌飛行 36 天，飛行歷程突破 1 億公里。
2020 年 9 月 20 日 23 時(shí)，在飛控團(tuán)隊(duì)控制下，天問(wèn)一號(hào)完成第二次軌道中途修正。
2020 年 10 月 1 日國(guó)慶節(jié)當(dāng)天，國(guó)家航天局發(fā)布天問(wèn)一號(hào)首次深空和國(guó)旗“自拍”。
2020 年 10 月 9 日 23 時(shí)，在飛控團(tuán)隊(duì)控制下，天問(wèn)一號(hào)完成一次深空機(jī)動(dòng)。
2020 年 10 月 28 日 22 時(shí)，在飛控團(tuán)隊(duì)控制下，天問(wèn)一號(hào)完成第三次軌道中途修正。
2020 年 11 月 17 日，天問(wèn)一號(hào)已在軌飛行 116 天，飛行里程突破 3 億公里。
2021 年 1 月 3 日，天問(wèn)一號(hào)已在軌飛行 163 天，飛行里程突破 4 億公里。
2021 年 2 月 5 日 20 時(shí)，天問(wèn)一號(hào)完成第四次軌道中途修正，并傳回了在距火星約 220 萬(wàn)公里處拍下的首幅火星圖像。

終于，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)已由地火轉(zhuǎn)移階段順利進(jìn)入火星捕獲階段！

昨日晚間，央視正式官宣 2021 牛年春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)節(jié)目單，在節(jié)目單上有個(gè)名為《向祖國(guó)報(bào)告》的特別節(jié)目，天問(wèn)一號(hào)、嫦娥五號(hào)、神舟飛船、北斗三號(hào)總設(shè)計(jì)師等嘉賓將出現(xiàn)在鏡頭前。農(nóng)歷牛年前夕，天問(wèn)一號(hào)的故事必將為節(jié)日增添一份別樣的儀式感。

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