2020年中国将首探火星 四问探火到底有多难
火
2016年公布的火星探测器飞行效果图。
7月8日,中国火星探测又一次引发关注。在山东举办的2019软件定义卫星高峰论坛上,中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远在报告中透露:中国将于2020年探测火星。
欧阳自远表示,此次中国将通过火星卫星、火星着陆器、火星车联合探测火星,目前火星车已经准备好。
航天专家表示,中国火星探测起步较晚但起点高、效率高。值得注意的是,在首次任务中一次性实现“绕”“落”“巡”三大任务,在航天史上史无前例。
2016年公布的火星车与着陆巡视器外观设计构型图。
为何选择明年探火? 时间有讲究,2年一次窗口期
释疑
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【背景】
每隔两年,全球都会迎来一次火星探测小高潮。
面向2020年,全球多个火星探测器已经整装待发。航天专家庞之浩介绍,明年可能是史上最密集的火星探测期,已经有5个国家宣布了探火计划。除了中国,美国计划发射新型火星探测车,欧空局计划发射ExoMars火星车,印度、阿联酋也计划2020年向火星送出探测器。这是因为,根据地球与火星位置关系,每26个月火星会有一次距离地球最近的机会,这也是发射火星探测器的最佳时间窗口。在这个时间点发射火星探测器,将节省大量燃料,缩短抵达的时间。2020年就将迎来一个窗口期,大约1个月左右。
“如果没有把握好窗口,就只能再等两年。”庞之浩说,美国洞察号火星车原计划2016年发射,因为一个仪器的故障,不得已推迟到2018年才升空。
欧阳自远透露,我国已完成火星探测轨道设计、测控通信、自主导航、表面软着陆等关键技术的科研攻关,为我国自主火星探测奠定了技术基础。
首次探火要做什么? 探测火星过去、现在的生命信息
2020年、2028年 中国将两次探火
首次登火难在哪? “从巴黎击出高尔夫球,落在东京一个洞里”
中国火星探测器去火星肩负了什么任务?欧阳自远表示,火星探测的科学问题主要有三个方面:其一是探测火星上的生命活动信息,包括火星上现在生命的信息、过去是否存在过生命、火星生命生存的条件和环境等。
其二,火星本体科学为研究火星积累资料,主要包括火星磁层、电离层与大气层的探测与环境科学,火星地形地貌特征与分区,火星表面物质组成与分布,地质特征与构造区划,火星内部结构、成分、内禀磁场探测等。
其三,是探讨火星的长期改造与今后大量移民、建立人类第二个栖息地的前景,为人类社会的持续发展服务。
欧阳自远说,火星表面有很多古河床,证明以前有河流,然而如今表面没有天然水存在,中国将探测火星地下水的分布。
中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥曾介绍,首次火星探测任务要探测火星的形貌、土壤、环境、大气,研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。
据相关部门公开信息,中国首次火星探测将实现软着陆,在火星表面释放火星车,开展巡视探测。对比嫦娥探月工程,嫦娥一号、二号实施绕月,嫦娥三号才实现软着陆。我国火星探测则将一次性走完探月的三步。
这在世界航天史上是史无前例的。
庞之浩介绍,在此之前,只有美国在一次火星任务中同时完成“绕”和“落”,欧洲曾两次尝试“绕”和“落”,都以失败告终。而中国计划在一次火星任务中完成“绕”“落”“巡”三大任务,难度非常大。
至今全球火星探测成功率大约为40%,火星因此有“航天器坟场”之称。庞之浩介绍,最危险的环节在于进入火星轨道和着陆两个阶段。“什么时候‘刹车’进入火星轨道,进入轨道的角度是多少,何时打开降落伞,何时切断降落伞……每个环节都步步惊心,都需要精准计算、毫秒不差。”庞之浩说,航天器着陆的那7分钟被称为“恐怖7分钟”。
由于信号强度与距离的平方成反比,距离越远信号越弱,同时地火的距离还带来至少10分钟的信号延时,探测器进入火星轨道和着陆的那段关键时间,只能依靠研究人员提前输入的数据,由探测器进行自主判断。火星探测与月球探测最大的不同,就在于距离的悬殊。地月平均距离为38万公里,而地火最近距离为5500万公里,最远为3亿～4亿公里,这对测控能力有极高的要求。有人比喻,让火星探测器精准着陆,相当于从巴黎击出一只高尔夫球,落在东京的一个洞里。
面对探火的种种难度,中国已经做了大量准备工作,数次成功的探月任务也奠定了重要的技术基础。首先,发射火星探测器需要大推力运载火箭,我国长征五号火箭已经具备这样的能力；其次,针对超远距离的测控,我国已经建成深空测控站,并在嫦娥二号拓展任务中实现了超过1亿公里的测控；再次,探月取得的成功,帮助中国在着陆、巡视技术等领域奠定了基础。“中国火星探测起步较晚,但效率较高。虽然很难,还是有信心的。”庞之浩说。
释疑
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移民火星要过几关? 需核动力火箭、中转站、环境改造
随着SpaceX创始人埃隆·马斯克对“移民火星”不遗余力的宣传,这个科幻命题似乎已经触手可及。
但在庞之浩看来,移民火星非常困难,载人登陆火星都还没有实现,移民火星仅停留在构想阶段。
载人登陆火星目前还面临着技术难题。由于飞往火星单程至少7个月,要携带大量的生命保障资源,需要更强大的火箭和飞船。对执行任务的航天员来说,长期飞行会导致肌肉萎缩、骨质脱钙,辐射也会对身体造成影响。
宇航界有人提出利用核动力火箭,有可能解决这些问题。庞之浩说,目前常规火箭飞行速度为每小时2万公里,而核动力火箭能达到8万多公里,一两个月就能到达火星,“但核动力研制难度很大,人类想在2030年代登陆火星,都是很难的事情。”
除了运输工具火箭,人类登陆火星或许还需要一个中转基地,月球正是最佳选项,这就需要事先进行基地建设。此外,移民前还需要改造火星,将火星改造为适宜大量人口居住的环境。
“现在讨论火星移民有点太乐观,需要技术的革命性进展。有人说,乐观地看需要100年,不乐观的话需要800年。”庞之浩说,但现在开始构想也是非常必要的,因为未来地球或许会面临人口爆发、资源枯竭、地外天体撞击等威胁,太空移民事关人类生存。
中国2020年探火,这一计划已非首次披露。
去年9月,国家航天局系统工程司司长李国平曾“官宣”,我国将在2020年和2028年左右进行两次火星探测,后一次将采样返回。
李国平说,我国深空探测工程初步明确了四次任务。第一次任务是火星探测,计划在2020年7月份发射火星探测器,预计经过10个月的飞行,2021年到达火星,着陆火星表面并进行巡视探测。其后,计划2028年左右进行第二次火星探测任务,并采集火星土壤返回地球。
去年,作为探火工程的火箭、探测器系统研制方,中国航天科技集团也公布计划,未来3年将实施我国首次火星探测,主要内容为无人火星环绕和着陆巡视探测。
最新消息为今年4月18日,从2019年月球和深空探测国际学术研讨会上获悉,我国嫦娥五号、嫦娥六号和中国首个火星探测器等重大工程任务目前正组织开展。
中国航天科技集团所属中国空间技术研究院在会上介绍,该院正加快推进无人月球科研站、小行星探测、火星和木星系探测、太阳系边际探测和行星际探测等一系列后续重大项目的规划及实施。
另外,我国还计划进行小行星探测,在2030年前后开展木星系探测和行星系探测。
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