2020年7月23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙四運載火箭將我國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器發(fā)射升空。
新華社記者 胡喆 攝
圖為“天問一號”探測器著陸后，火星車與著陸平臺解鎖分離，在火星表面開展科學(xué)探測的模擬圖。
（中國航天科技集團五院供圖）
（中國航天科技集團五院供圖）
7月23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，火箭飛行約2167秒后，成功將探測器送入預(yù)定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國行星探測第一步。
“天問一號”將經(jīng)過地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、離軌著陸段、中繼通信段及科學(xué)探測段，飛行超過4億公里，過五關(guān)斬六將，預(yù)計明年2月份最終抵達火星并開展科學(xué)探測任務(wù)。如果順利實施，我國將一次性實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測“三步走”，完成前無古人的創(chuàng)舉。
艱深“探火”路
據(jù)中國航天科技集團五院深空探測領(lǐng)域?qū)＜医榻B，“天問一號”火星探測器由該院抓總研制，分為環(huán)繞器與著陸巡視器兩部分，其中著陸巡視器又由進入艙和火星車組成。進入艙完成火星進入、下降和著陸任務(wù)，火星車配置6種科學(xué)載荷，在著陸區(qū)開展巡視探測。
探測器在地火轉(zhuǎn)移軌道上經(jīng)歷約7個月的飛行，在地面測控系統(tǒng)的支持下，經(jīng)過4次中途修正和1次深空機動修正飛行路徑，逐漸飛近火星，在近火點實施制動，被火星捕獲，成為火星的人造衛(wèi)星。
火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，在火星探測器從地球飛向火星的過程中，能夠被火星引力所捕獲形成環(huán)繞軌道的機會只有一次。
據(jù)五院深空探測領(lǐng)域?qū)＜医榻B，此時探測器相對于火星的速度約為4-5千米/秒。就像兩輛高速行駛的汽車，只有前進方向一致、相對速度為零時，才能并駕齊驅(qū)。因此，探測器在接近火星后，必須把握住唯一的機會，利用自身攜帶的推進劑點火減速，最終實現(xiàn)被火星的捕獲。
我國本次火星探測任務(wù)捕獲時，探測器距離火星最近僅400千米，稍有偏差就會撞擊火星或飛離，因此，捕獲的成敗就成為了火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。
探測器進入火星捕獲軌道后，經(jīng)過軌道調(diào)整進入停泊軌道并運行約75天，完成著陸巡視器預(yù)選落區(qū)的預(yù)探測和進入點位置調(diào)整動作。在確認滿足著陸條件要求后，將進行降軌控制，著陸巡視器與環(huán)繞器分離。分離結(jié)束后，著陸巡視器進行火星大氣進入段的飛行，火星環(huán)繞器則進行升軌機動，返回到停泊軌道，下一步進入中繼軌道。
著陸巡視器在進入、下降與著陸過程中，要在數(shù)分鐘內(nèi)將時速從近2萬千米降低到零，也就是著名的“恐怖7分鐘”。這過程中電磁信號是完全被屏蔽掉的，要完全依靠著陸器的自身本事。中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員張偉表示，這需要融合多種減速手段才能實現(xiàn)，包括氣動外形、降落傘和反推等，也需要自主導(dǎo)航控制技術(shù)來保證。
全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩說，每個環(huán)節(jié)都必須精準無誤，其難度不亞于“在巴黎打一個高爾夫球要落到東京的一個洞里”。
著陸巡視器在火星落腳之后，想要順利開展工作也并非易事。龐之浩表示，火星上的沙塵暴很大，是地球上12級臺風(fēng)造成影響的6倍，這些飛沙會覆蓋火星車的太陽能電池板，致使其無法正常工作。歷史上，美國第一代和第二代火星車都是受沙塵暴影響而停止工作的。
“這就需要充分提高能源的利用率，包括高效太陽能電池技術(shù)及高效蓄電池技術(shù)，提高能源系統(tǒng)功率質(zhì)量比?！饼嬛普f。國家航天局探月與航天工程中心副主任劉彤杰介紹，火星車比“玉兔”多一對電池板，可以根據(jù)太陽光調(diào)整帆板角度，能源轉(zhuǎn)換效率更高。
據(jù)悉，火星車設(shè)計壽命3個火星月，相當(dāng)于92個地球日，其間環(huán)繞器在中繼軌道為火星車提供通訊支持，并開展科學(xué)探測?；鹦擒嚬ぷ鹘Y(jié)束后，環(huán)繞器將進入科學(xué)探測軌道，并在該軌道上繼續(xù)運行1個火星年，執(zhí)行火星全球遙感探測任務(wù)。
唯有“胖五”
此次長征五號遙四火箭成功將“天問一號”送入預(yù)定軌道，是長征五號系列運載火箭的第五次發(fā)射任務(wù)，也是首次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射任務(wù)。此前，長征五號遙三和長征五號B遙一火箭連續(xù)發(fā)射成功，標志著長征五號火箭關(guān)鍵技術(shù)瓶頸已經(jīng)完全攻克，火箭各系統(tǒng)的正確性、協(xié)調(diào)性得到了充分驗證，火箭可靠性水平進一步提升。
“此次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射任務(wù)，意味著長征五號火箭正式開始‘服役’，進入工程應(yīng)用階段”，航天科技集團一院長征五號火箭總指揮王玨說。
長征五號運載火箭芯級直徑達5米，捆綁4個3.35米助推器，肩負著我國火星探測工程、探月三期工程和載人空間站工程等大型載荷和深空探測任務(wù)載荷的發(fā)射任務(wù)。
“此次發(fā)射火星探測器，是長征五號火箭第一次達到并超過第二宇宙速度，飛出了我國運載火箭的最快速度”，航天科技集團一院長征五號火箭總設(shè)計師李東介紹。根據(jù)發(fā)射任務(wù)要求，長征五號遙四火箭將托舉“天問一號”火星探測器加速到超過11.2千米/秒的“逃逸速度”，將探測器送入地火轉(zhuǎn)移軌道，開啟奔向火星的旅程。
此次發(fā)射的“天問一號”火星探測器重量接近5噸，比“嫦娥四號”月球探測器重了一噸多，是目前我國發(fā)射的重量最重的深空探測器。最大的重量、最快的速度，對火箭運載能力提出極高要求。
“依靠長征五號火箭強大的運載能力，我國行星探測之旅將站在一個新的起點，通過一次發(fā)射，實現(xiàn)對火星的‘繞、落、巡’三項目標，是起點很高、‘含金量’十足的‘第一次’，將使我國深空探測的腳步從月球邁向行星，正式開啟行星探測時代”。航天科技集團一院黨委書記、長征五號火箭第一總指揮李明華介紹道。
對于一般的發(fā)射任務(wù)，一個發(fā)射窗口只需要設(shè)計一條火箭發(fā)射軌道。由于地球、火星與太陽的位置時刻都在變化，長征五號火箭在窗口期內(nèi)不同時刻的發(fā)射軌道也會有所差別，相當(dāng)于打“移動靶”。
“為了讓探測器更精確的入軌，對火箭發(fā)射軌道進行了精細化的‘窄窗口多軌道’設(shè)計，將每天30分鐘的窗口細分成3段，分別設(shè)計軌道，火箭根據(jù)發(fā)射時間自動選擇一條軌道。在整個窗口期內(nèi)一共設(shè)計了42條不同的發(fā)射軌道”，李東介紹道。這在中國航天的發(fā)射歷史上是絕無僅有的，創(chuàng)造了單次發(fā)射軌道設(shè)計數(shù)量的新紀錄。
“這次發(fā)射還首次實現(xiàn)了發(fā)射軌道的自動切換，火箭可自動比對時間，自動切換軌道?！焙教炜萍技瘓F一院長征五號火箭副總設(shè)計師婁路亮說。
火星探測器的發(fā)射窗口，每26個月才出現(xiàn)一次，對于長征五號遙四火箭的發(fā)射，面前只有成功這一個選項。
長五的飛行時序動作達到2200多個，箭上設(shè)備數(shù)千臺，元器件數(shù)十萬件，是我國現(xiàn)有火箭中最復(fù)雜的，要確保任務(wù)完成，每次發(fā)射都面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。相較于前幾次發(fā)射，這次發(fā)射窗口期也是最短的，海南七八月份天氣最熱，尤其是在中午發(fā)射時間氣溫最高，給低溫火箭帶來“冰火兩重天”的嚴峻考驗。
長五B火箭今年5月5日首飛成功后，距離長五遙四火箭發(fā)射火星探測器只有兩個多月，這意味著，發(fā)射平臺和地面支持系統(tǒng)的恢復(fù)時間要在原來已縮減基礎(chǔ)上再壓縮30%以上。
5月的海南，平均氣溫高達32℃，濕度在80%以上。地面設(shè)備恢復(fù)作業(yè)在沒有任何遮擋的戶外進行，隊員們衣服早已被汗水濕透，沒有人顧得上酷暑，都在爭分奪秒和時間賽跑。所有的團隊，都在以這種顧全大局、全力以赴的狀態(tài)工作。
“今年航天日前夕，習(xí)近平總書記給參與‘東方紅一號’任務(wù)的老科學(xué)家回信，勉勵新時代航天工作者敢于戰(zhàn)勝一切艱難險阻，勇于攀登航天科技高峰。長征五號研制團隊就是這樣不畏艱難的隊伍，團隊中的每一個人都是真正的強者。”李明華說。
航天大國“競技場”
作為離地球較近且環(huán)境最相似的星球，火星一直是人類走出地月系統(tǒng)開展深空探測的首選目標。以往的探測發(fā)現(xiàn)了存在水的證據(jù)，火星上是否存在孕育生命的條件？火星是地球的過去還是地球的未來？這些成為火星研究的重大科學(xué)問題。研究火星對認識地球演變具有非常重要的比較意義。
火星是處于太陽系宜居帶內(nèi)的類地行星，被認為是“準宜居”的行星?！盀榱巳祟惿鐣目沙掷m(xù)發(fā)展，火星可否改造成為適宜人類居住的綠色星球？……只有這些重大科學(xué)問題被一一解答，我們才能清晰地思考地球和人類的未來?！敝袊茖W(xué)院院士歐陽自遠曾這樣評價火星探測的意義。
基于現(xiàn)有航天能力，“奔火”飛行7個月左右即可到達，相比更遠的行星和衛(wèi)星，任務(wù)周期較合適；火星與地球有最接近的環(huán)境，使得機器人或人類進駐火星成為可能。
然而，探測火星也是人類太空飛行中最具挑戰(zhàn)性的壯舉之一。有數(shù)據(jù)顯示，自1960年到今年7月初，人類已實施火星探測活動達44次，但成功和部分成功的任務(wù)僅有24次，其中著陸任務(wù)17次，成功僅8次。在業(yè)界，火星被稱為“探測器墳場”，其探測難度可想而知。
“在國際競爭日趨激烈的今天，火星探測已成為目前及未來很長一段時期國際航天大國競爭的主要‘競技場’?！睆垈フf。
國際火星探測始于20世紀60年代，90年代迎來又一高潮，相關(guān)科研任務(wù)進行得如火如荼，“探火”大軍日益壯大。截至目前，已實施的火星探測任務(wù)中，其中美國20余次，已有4架探測器登陸火星，第5架火星車“毅力號”蓄勢待發(fā)。蘇聯(lián)/俄羅斯緊隨其后，日本、歐空局和印度也分別進行過“探火”任務(wù)，阿聯(lián)酋在今年7月也發(fā)射了火星探測器。
在中國航天科技集團五院深空探測和空間科學(xué)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士葉培建看來，我國首次火星探測任務(wù)實為“彎道超車”。我國于2010年開展月球以遠深空探測發(fā)展規(guī)劃和實施方案論證，經(jīng)過三輪迭代和深化，于2016年正式立項實施火星探測。我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就瞄準當(dāng)前世界先進水平確定任務(wù)目標，明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“繞、落、巡”三大任務(wù)。如果這一目標能夠順利實現(xiàn)，我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術(shù)的國家，意味著中國一次走完了此前蘇聯(lián)和美國用幾十年走過的歷程。
一舉多得的背后，是復(fù)雜的技術(shù)和較高的風(fēng)險，國際上也鮮有先例。美國海盜1號、海盜2號火星探測器曾通過一次發(fā)射實現(xiàn)了環(huán)繞、著陸兩種探測目標；歐洲也曾進行過類似的嘗試，但并未成功，只實現(xiàn)了“一舉一得”。
我國想要在首次火星探測任務(wù)中就克服這一艱難過程，并讓火星車在“火”面持續(xù)工作3個月，所面臨的挑戰(zhàn)亦如可能獲得的成就一樣，都是前所未有的。但是，中國的航天精神有這么幾句話:“自力更生，艱苦奮斗，大力協(xié)同，無私奉獻，嚴謹務(wù)實，勇于攀登。”“天問一號”火星探測任務(wù)不僅對推動我國突破深空探測基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)具有巨大作用，同時也使我國實現(xiàn)了由月球探測到火星探測的巨大科技跨越，對于進一步推動我國航天技術(shù)發(fā)展、帶動我國基礎(chǔ)領(lǐng)域、高新領(lǐng)域及前沿領(lǐng)域的科技進步具有深遠意義。
美國《科學(xué)》雜志近日發(fā)表文章稱，“天問一號”是中國行星探測的首次任務(wù)，也將是中國航天走向更遠深空的里程碑工程。
除“天問一號”任務(wù)外，按照計劃，長征五號遙五火箭也將在今年實施發(fā)射，將“嫦娥五號”探測器送入地月轉(zhuǎn)移軌道，完成我國首次月球采樣返回任務(wù)。將來我國還會建立屬于自己的近地載人空間站，預(yù)計在2030年前后或?qū)嵤┗鹦遣蓸臃祷?、小行星探測、木星系等探測。對宇宙的探索充滿著很多未知危險，我們的探索腳步將永不停息?。ū緢笥浾?劉廷飛）
