揭秘天问一号 | 为何失联30天?载人登陆火星还远吗?

中国经济周刊 2021-06-11 19:53


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《中国经济周刊》 记者  贾璇  |北京、上海报道

天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?

2300多年前,爱国诗人屈原仰望星空,赋诗《天问》向世界万物提出177个问题,表达了中华民族追求真理的坚韧与执着。

2300多年后,中国航天人用实践探寻自然和宇宙空间的奥秘,将行星探测任务命名为“天问”系列,寓意追求科学创新永无止境。

十年磨一剑。2020年7月23日12时41分,我国首颗火星探测器天问一号成功发射。在经过长达7个月、累计202天、4.75亿公里的漫长飞行之后, 天问一号于2021年2月10日19时52分,精准实施近火制动捕获,中国航天探测器首次到达火星。

5月15日7时18分,天问一号探测器成功在火星乌托邦平原南部软着陆,中国成为世界上第二个成功将探测器送上火星的国家。

中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在贺电中指出,天问一号探测器着陆火星,迈出了我国星际探测征程的重要一步,实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹,这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。

6月11日,国家航天局公布了由祝融号火星车拍摄的着陆点全景、火星地形地貌、“中国印迹”和“着巡合影”等影像图。首批科学影像图的发布,标志着我国首次火星探测任务取得圆满成功。


早在嫦娥一号任务取得圆满成功之后,业内专家即开始谋划我国深空探测后续发展。打头阵的天问一号探测器奔向何方?

2010年8月,8位院士联名向国家建议,开展月球以远深空探测的综合论证,国家有关部门立即组织专家组进行了发展规划和实施方案论证,多位院士、专家团队积极参与论证工作,对实施方案进行了三轮迭代和深化。2016年1月,我国首次火星探测任务经党中央、国务院批准立项。

我国首次火星探测任务起步虽晚,但起点高、跨越大,从立项伊始就瞄准当前世界先进水平确定任务目标,明确提出在国际上首次通过一次发射,完成“环绕、着陆、巡视探测”三大任务。

天问一号着陆火星首批科学影像图公布  来源:上海航天技术研究院  剪辑:《中国经济周刊》记者 王雨菲 

中国深空探测晚起步,但起点高,底气何来?

截至6月6日,祝融号火星车在火星表面已工作23个火星日,开展环境感知、火面移动、科学探测,所有科学载荷设备均已开机工作,获取科学数据。环绕器运行在周期8.2小时的中继轨道,为火星车科学探测提供中继通信。

6月7日,国家航天局发布我国首次火星探测天问一号任务着陆区域高分影像图。图像中天问一号着陆平台、祝融号火星车及周边区域情况清晰可见。

天问一号探测器对火星表面进行科学探索高清示意图  图片来源:上海航天技术研究院


天问一号火星探测器的环绕器和着陆巡视器分离高清示意图   图片来源:上海航天技术研究院


由“祝融号”火星车拍摄的“着巡合影”影像图。图片来源:国家航天局


“中国印迹”图,是火星车行驶到着陆平台东偏南60°方向约6米处,拍摄的着陆平台影像图。图片来源:国家航天局


首次火星探测任务于2016年1月经党中央、国务院批准立项,由国家航天局组织实施。具体由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用等五大系统组成。

此次任务,工程总体单位为国家航天局探月与航天工程中心,中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制运载火箭系统,中国空间技术研究院和上海航天技术研究院抓总研制探测器系统。中国卫星发射测控系统部负责组织实施发射、测控。中国科学院国家天文台抓总研制地面应用系统,负责科学数据接收、处理、存储管理等工作。

近日,《中国经济周刊》记者独家对话天问一号火星环绕器副总指挥、上海航天技术研究院褚英志及其团队骨干,探访我国首次探火任务背后的故事。

和蓝色地球最相似的橙色火星

“我们探测火星可以探寻太阳系行星起源和演化等问题,可以更好地了解地球,同时也在宇宙中寻找第二家园。”褚英志对《中国经济周刊》说。

天问一号火星环绕器副总指挥、上海航天技术研究院褚英志  《中国经济周刊》记者 王雨菲 | 摄

在太阳系八大行星中,蓝色地球与太阳的距离第三近,橙色火星离太阳第四近。地球和火星这对“邻居”之间,距离最远时约4亿千米,最近时约5600万千米。

火星半径约为地球的一半,重力为地球的38%。尽管面积较小,但火星的陆地面积约等于地球各大洲的表面积。这意味着,至少从理论上讲,火星具有相同数量的可居住土地。

多年来,火星都是人类深空探测的热点。从20世纪60年代开始,人类共实施了45次火星探测任务。除月球之外,火星是最受关注的天体。

在太阳系中,火星和地球最为相似。两者自转周期相似,一个火星日约为24小时39分钟。两者一样有四季更迭。

火星上存在大气、水、各种矿藏和氧化物。

现在掌握的火星情况可以为我们提供一个参考依据,这对认识地球的过去、现在和未来,有着不可替代的作用。

“经过探测我们发现,早前在火星表面发现水的区域,现在是荒漠,这样的变化可以给地球的演变提供参考,甚至让我们提前知道地球的未来。” 褚英志说。

三国同台竞技场—— “探测器坟场”

尽管人类对火星向往已久,但火星探测并非易事。火星被称为“探测器坟场”,在人类向火星发起的45次挑战中,成功率仅为40%。

褚英志向《中国经济周刊》介绍,探火任务的超高难度,首先来自远距离。“相对于月球,火星和地球之间的距离更远。目前,天问一号在距离地球大约3.5亿公里的地方,是地球到月球距离的100多倍。” 

其次,难度来自温度的变化。褚英志解释说,火星在最低轨道上的光照强度为500多瓦每平方米,仅为地球轨道的一半还不到。“探测器从地球出发,相当于离太阳又远了,接收到的阳光也会逐渐变少。探测器在远赴火星的过程中,像从穿T恤的环境去了需要穿羽绒服的地方。” 

同时,光强变弱也意味着发电能力减少。“飞行器接收到的光强会从约1350瓦降到500瓦,减少了一半还多,这种条件下,飞行器还要能够有效发电,发足够的电。”

此外,飞行器还要面对单粒子翻转等无法提前预知的各种问题。单粒子翻转指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。

值得注意的是,探测器到达火星后,在其表面着陆的难度非常大。火星大气稀薄且受季节、夜昼、火星风暴等影响,非常不稳定;火星表面地形复杂,遍布岩石、斜坡、沟壑等障碍物;火星尘暴也较地球更为严重。这些因素都会给着陆火星带来很大风险。

曾有人比喻称,要让探测器在火星精准着陆,相当于从法国巴黎击出高尔夫球,落在日本东京的一个洞里。

2020年7月,火星探测时隔26个月后再次迎来发射窗口期。来自3个国家的3台火星探测器相继升空,奔向火星。它们分别是中国的天问一号、美国的毅力号和阿联酋的希望号,这也被称为三国火星探测器同台竞技。

此次,希望号的目标是环绕火星研究火星大气,而天问一号和毅力号的目标都是登陆火星。2021年2月,希望号与天问一号进入环火轨道,毅力号成功降落火星表面。

在谈及三国航天器同场竞技时,褚英志自信地说:“我们能在3个国家同时进行火星探测时,这么圆满地完成任务,得益于国家整体科研技术水平的提升。”

从“搭车”去火星到自主深空探测

据介绍,在此次独立开展探火任务之前,我国曾以国际交流合作的形式,尝试“搭车”去火星,而褚英志正是我国两次探火任务的亲历者。

2011年11月8日,中国研制的萤火一号探测器和俄罗斯的“福布斯-土壤”探测器一起搭乘俄罗斯运载火箭向火星进军。

任务中,“福布斯-土壤”探测器未能按计划进行变轨,随后俄航局宣布放弃获取探测器信号的尝试,任务以失败告终。

此后,我国决心自主开展火星探测任务。褚英志说:“我们从设计之初,就本着独立自主、自力更生的原则。天问一号上的单机绝大部分都是国产。这充分体现了我们国家航天领域在元器件、原材料、装备加工等方面都具备了一定能力,达到了一定的水平。”

天问一号是我国第一个火星探测器,将对火星进行首次环绕、着陆和巡视,主要任务即为“绕、着、巡”。一般来说,三步骤任务会被分开进行,以降低难度。在深空探测领域提前起步几十年的美国,不止尝试过在一次任务中进行火星着陆和巡视探测。我国首次独立探火就三步一气呵成,难度被称为是“殿堂级别”。

为满足任务要求,天问一号由环绕器和着陆巡视器组成,功能上更是身兼数职。

环绕器在太空“分饰多角”,具备三大功能,分别为:飞行器、通信器和探测器。着陆巡视器由进入舱和祝融号火星车组成。进入舱负责火星进入、下降和着陆任务;火星车配置了多种科学载荷,在着陆区开展科学巡视探测。

在探火过程中,天问一号主要包括6个飞行阶段:发射段、地火转移段、火星捕获段、火星停泊段、离轨着陆段和科学探测段。

其中,“绕”主要由环绕器承担,它与着陆巡视器分离后继续环绕火星飞行,将探测火星土壤、表面和地下水冰,火星的地形地貌,调查和分析火星表面物质成分等。此外,环绕器还要为火星车提供通信支持。

“着”和“巡”由着陆器和火星车承担。着陆后,火星车将对着陆区的地形地貌、岩石成分以及环境气候进行探测,依次开展对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台,并进行巡视探测。

据褚英志向《中国经济周刊》介绍,天问一号环绕器上产品由1700余种、56000多只元器件组成,绝大多数都是自主研发的“国货”,有的元器件还是第一次在深空探测的飞行器上应用。

天问一号为何比“毅力号”早出发7天,却晚85天落火?

在此次火星探测窗口期内,共有来自3个国家的3台火星探测器相继升空,奔向火星。它们分别是中国的天问一号、美国的“毅力号”和阿联酋的“希望号”。

从发射时间上看,美国NASA的“毅力号”比我国的天问一号晚出发7天,但其在2021年2月19日,即到达火星的当天直接成功登陆火星。5月15日,天问一号成功着陆。明明早出发7天,却晚到达85天,这是为什么?

“这是从整个任务的角度考虑的。这是我国第一次探索火星,形象地来说,我们在到达后要先看看路。” 褚英志介绍,我国预选在火星表面的着陆区,是根据天文界研究成果以及国外对火星成像的照片来选择的,选择的时候其实我们还没有第一手资料。

为了给着陆巡视器落火“看清楚路”,环绕器对预选着陆区开展了多维度探测,一方面探测地形地貌,选择地形平坦无障碍的地方;另一方面静候“天机”观天象,获取着陆区附近区域的气象状况。

褚英志进一步解释:“环绕器要对我们的着陆区进行从北到南、覆盖性的观测,这种观测要进行很多次,方便进行对比,要看这个区域是否存在沙尘暴,沙尘暴的运动速度和方向,等等。”

由于火星车采用太阳能帆板的形式供电,大量沙尘会覆盖在太阳能电池片的表面,降低发电效率甚至导致发电能力丧失。火星表面每年都会形成几场大沙尘暴,历史上就有探测器因抵达火星时赶上沙尘暴,最终没能顺利展开工作。对火星车来说,失去能源供应无疑是致命的。

同时,沙尘暴可能改变着陆巡视器下降过程的动力学参数,影响着陆过程的安全性。沙尘粒子可能会附着在探测器表面,甚至钻入内部,造成仪器设备故障。因此,环绕器提前探测预选着陆区,是至关重要的。

此外,环绕器还要对成像系统进行验证,检验飞行器上相机的成像效果。

据介绍,环绕器搭载了中分辨率和高分辨率两种相机。高分辨率相机拍摄的照片像素高,受数据传输限制,大像素照片不能拍摄大范围的区域。此时,就需要利用中分辨率相机作为补充。一旦发现值得探寻的区域,再利用高分辨率相机具体拍摄。

“其实,落火时间的前后是因为任务设计不同。NASA在火星上空已经有了环绕器,对着陆环境提前了解了,所以毅力号直接落火,没有环绕的动作。我们的天问一号环绕器‘看路’是飞行程序,是既定工作,不是临时决定的。”

据介绍,在火星车完成火星表面巡视后,环绕器将继续工作,环绕火星并对其进行为期687天的拍摄,通过这687天的科学观察完成火星绕太阳转一圈的完全周期观测。

失联30天的天问一号

正如上述,天问一号已经成为火星的一颗人造卫星,但它要面对的复杂考验还有很多。大约在今年9月23日至10月23日,天问一号即将因为日凌失联30天。

日凌是太阳、卫星和地面接收天线恰巧在一条直线上,太阳发出的强大的电磁辐射干扰卫星通信的一种正常的自然现象。每年春分和秋分前后,太阳位于地球赤道上空,由于通讯卫星多定点在赤道上空运行,在这期间,当太阳、卫星、地面天线三者处于一条直线时,太阳强大的电磁辐射会对卫星下行信号造成强烈的干扰。

在我们生活中,电视画面偶尔短暂出现的图像不清、屏幕“雪花”,甚至黑屏,其实就是受到了日凌的影响。

天问一号火星环绕器总体副主任设计师谢攀向《中国经济周刊》记者介绍,常规的地球卫星,不存在这么久失联的问题,因为它绕地球运动时,太阳、卫星和地面天线位于一条直线的时间比较短,但天问一号将和太阳、地球处在近似同一线上约30天。面对即将到来的长时间遥测遥控中断,数亿公里外的火星探测器需要开展自主管理。

天问一号火星环绕器总体副主任设计师谢攀  《中国经济周刊》记者 王雨菲 | 摄

“预设的这30天里,天问一号主要维持在正常轨道,维持本身正常的状态就可以了。这段时间内也没有给它规定探测任务。” 谢攀说。

但天问一号并没有完全休息,它还要负责给自己做体检。“比如说,当检测到有单机或部件出现问题时,天问一号要自主给故障部分隔离,同时启用备份。”

天问一号火星环绕器结构分系统主任设计师王建炜介绍,受火箭运载约束,天问一号探测器总重量约为5吨,着陆巡视器约重1.3吨。相较于低轨卫星,这个重量大了很多,也给结构设计带来难题。

火星环绕器结构分系统主任设计师王建炜   《中国经济周刊》记者 王雨菲 | 摄

设计之初,环绕器的重量设计可谓是“克克计较”。每个单机的重量都要精确到克以下,同时更不能损失可靠性。天问一号此行一共携带了13个科学载荷,其中7个在火星上空的环绕器上,6个分布在火星车祝融号上。“航天器的可靠是关键,我们不能损失可靠性来减重。这方面做了很多工作,包括从材料、单机的冗余设计、功能设计、燃料等方面,都做了精心设计。”
 
载人登陆火星还远吗?

天问一号火星探测器成功着陆火星,再次激发人们去火星旅行的向往。从20世纪60年代开始,人们就开始对火星旅游计划进行了初步的普查,直到今天,普查阶段基本完成。人类开启详查阶段,对火星的局部地区开始进行考察,这个计划将在21世纪20年代的末期实现。那么,我们距离实现载人登陆火星还有多远?

褚英志认为,目前来说,人类去火星的难度还是很大。首先,受飞行速度限制,人类会在轨道空间上滞留很久,“从地球出发飞过去,到了火星立刻赶下一个‘班车’回来,可能就需要2~3年的时间。”

此外,航天器在奔火过程中没有磁场保护,来自太阳、银河宇宙线的辐射可以直接打到物体表面,辐射很强,身体性能会损失得很快。

曾经有研究认为,人类在30岁壮年状态去火星,等他回来时,生理状态或在85岁左右。“你可以把这种辐射想象成细细的沙子,始终打在你身上,而且能量很大,是可以穿过你身体的。”

此外,火星的自然条件并不适宜人类生存,其大气压只有地球的0.7%,而且这0.7%的大气压中95%以上是二氧化碳,一年中的平均温度是零下60℃,最低气温是零下120℃。

对话天问一号
火星探测团队:春节没回家的日子

在天问一号任务中,中国空间技术研究院和上海航天技术研究院负责抓总研制探测器系统。近日,《中国经济周刊》独家采访了从飞控中心返回单位的火星团队,对话天问一号火星环绕器副总指挥、上海航天技术研究院褚英志及其团队骨干。

没回家的除夕夜

在天问一号探测任务中,除发射成功外,还有多个关键环节至关重要,其中技术风险最高、技术难度最大的环节之一就是“制动捕获”。

火星制动捕获指探测器在抵近火星时,通过主发动机长时间点火,使得在行星际空间高速飞行的探测器大速度增量减速,从而能够被火星引力场捕获,进入绕火轨道。

制动捕获的机会是唯一的,关系着整个工程任务的成败。捕获过程中,火星环绕器需要准确地进行点火制动,只有点火时机和时长都分秒不差,才能形成理想的目标捕获轨道。

据公开资料显示,此前多个国家的火星探测任务都曾在“火星捕获段”遭遇失败。

在天问一号制动捕获过程中,探测器的目标轨道距离火星最近处仅400千米,一不留神就会撞击火星或飞离火星。探测器与地球距离达1.92亿公里,超远距离下数据通信的单向时间延迟超过10.7分钟。为了更好保证制动过程,天问一号必须完全依靠自身完成发动机的点火和关机,实现点火方向和点火时长的精确控制。

2021年2月10日,天问一号探测器进入近火点高度约400千米。环绕器3000N轨控发动机点火约15分钟,把环绕器送入周期约10个地球日,倾角约10度的大椭圆环火轨道。天问一号成功被火星捕获,成为我国第一颗人造火星卫星。
次日,恰逢2021年的除夕夜。

“我印象中,制动捕获是在大年二十九,第二天大家还在一起包了饺子。”褚英志回忆称,当天问一号被火星成功捕获,在巡视器着陆成功的那一刻,大家爆发出来的那种喜悦和欢呼最让他难忘。

“其实,团队里每个人都会有困难。探火这个任务,我们准备了10年。这10年里,有人选择退出,也有人退休了。最后咬牙坚持下来的同事,都付出了很多。这些付出确保了我们这次任务的成功。” 褚英志说。

5月15日7时18分,“天问一号”探测器成功落火,上海航天技术研究院火星团队部分骨干在北京飞行控制中心合影。图片来源:上海航天技术研究院


上海航天技术研究院火星团队成员在北京飞行控制中心执行任务   图片来源:上海航天技术研究院

24小时三班倒,一个班值12小时

按照天问一号任务要求,在捕获和着陆两个阶段,上海航天技术研究院火星团队就进入集中飞控阶段。这意味着团队骨干力量要保证全天24小时跟踪探测器。

褚英志说:“我们采用三班倒班制,一个值班时长是12个小时,确保一组人可以休息。”据介绍,环绕器团队主要岗位有7个,在执行关键事件和动作时,会设置“双岗”,即14个人值班,个别岗位还要拆岗,人数最多时有16个人同时值班。

工作人员在值班的12小时里,除了喝水、吃饭和上厕所,其他时间都要面对电脑屏幕上密密麻麻的数据。当被问到如何抵抗疲劳时,褚英志笑着回答:喝咖啡。

为了让团队成员在紧张的任务之余放松心情,在飞控中心和发射基地里也时常会有小活动。“我们也会开个小型联欢会,猜个谜语,做个游戏什么的,团队里的年轻人都很活跃”。

不过提到最能解压的方式,几位成员都表示是给家里打个电话。

中国航天人的坚守与浪漫

“你看这个卫星轨道像什么?”在采访中,“天问一号”火星环绕器总体副主任设计师谢攀在同事的提醒下,给记者展示了一张卫星轨道示意图。据介绍,这是今年2月份,天问一号为了更好拍摄南北极,飞行轨道稍作调整后的轨迹路线示意图。

当日,在完成工作任务后,谢攀发现从某个角度来看,天问一号的轨道酷似一个心形,火星及其轨道像一枚戒指,于是特意记录下了这个瞬间。

谢攀发现的轨迹路线示意图    图片来源:上海航天技术研究院

当被问到是如何发现这样浪漫的一幕时,谢攀略显羞涩地说:“好久没回家了,想安抚下家属。”

除了用浪漫故事和美好寓意,寄托对家人的思念,航天人更用自己特殊的方式祝福任务。

有媒体探访海南文昌发射场时发现,在火箭发射前,一线的工作人员都要吃薄皮大馅的包子,最好还要吃两个,寓意“包成功”和“好事成双”,这个特殊“仪式”上的包子也被叫作“成功包”。

采访中,褚英志表示自己所在的团队也有祝福的“习俗”,不过他们是摆个橙子。“我们在制动捕获前,每个人都发个橙子,寓意‘一定成’。有时候,食堂会给准备‘栗子炒鸡肉’,寓意着‘大吉大利’,图个好彩头。”

不过当记者问到,栗子炒鸡是否好吃时,褚英志却说没怎么吃过。

据介绍,在天问一号发射之前,团队需要提前12个小时开始准备,一般没时间吃东西。“运载火箭在塔架上时,我们也会陪着它。发射前至少要做好几次总检查。天问一号是中午12点41分发射的,其实我们凌晨4点就在那里了,准备工作也是从凌晨1点就开始了。” 褚英志说。

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