隨著火星探測(cè)序幕拉開，“天問(wèn)一號(hào)”將通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星“環(huán)繞、著陸、巡視”三大目標(biāo)，獲取火星探測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)，邁出我國(guó)行星探測(cè)的第一步。
發(fā)射窗口開啟 跨越億萬(wàn)千米的星球“探險(xiǎn)”
由于火星距離地球遙遠(yuǎn)，因此探測(cè)火星需要選擇其與地球距離較近的時(shí)機(jī)，這樣的機(jī)會(huì)每隔26個(gè)月才有一次，而今年7月到8月正是火星探測(cè)器發(fā)射的窗口期。
從7月23日開始，地球和火星的距離將縮短到1億千米以內(nèi)。發(fā)射時(shí)間確定后，長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭將把火星探測(cè)器發(fā)射至地火轉(zhuǎn)移軌道，此后在地面測(cè)控系統(tǒng)的支持下進(jìn)入環(huán)火橢圓軌道，運(yùn)行到選定的進(jìn)入窗口。隨后，探測(cè)器將進(jìn)行降軌控制，釋放著陸巡視器組合體。著陸巡視器組合體成功軟著陸后，火星車將與著陸平臺(tái)分離，開展區(qū)域巡視探測(cè)和相關(guān)工程實(shí)踐活動(dòng)。環(huán)繞器將為火星車提供中繼通信鏈路，并開展環(huán)繞科學(xué)探測(cè)。
這段看似簡(jiǎn)單的旅程，實(shí)際上充滿著挑戰(zhàn)和兇險(xiǎn)。相比登月所跨越的38萬(wàn)千米，地球到火星幾千萬(wàn)千米的距離，對(duì)飛行器的測(cè)控通信是一項(xiàng)巨大的考驗(yàn)?；鹦翘綔y(cè)器發(fā)射升空以后，將“趕路”7到8個(gè)月的時(shí)間，預(yù)計(jì)在明年2月到達(dá)火星的引力勢(shì)場(chǎng)以內(nèi)，然后再經(jīng)過(guò)火星的捕獲，才能到達(dá)火星。
今年10月14日前后，火星與地球之間的距離將縮短到6200萬(wàn)千米，是兩者相對(duì)最接近的時(shí)候。此時(shí)，火星、地球、太陽(yáng)將在太空中排成一條直線，形成天文學(xué)上的“火星沖日”。這一天是從地球上觀測(cè)火星的最佳時(shí)機(jī)。屆時(shí)，當(dāng)我們從地球“遙望”火星時(shí)，“天問(wèn)一號(hào)”也將在奔向火星的路上。
“胖五”創(chuàng)造歷史 運(yùn)載火箭拓寬中國(guó)航天舞臺(tái)
運(yùn)載火箭的能力有多大，中國(guó)航天的舞臺(tái)就有多大。承載此次“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭，將創(chuàng)造中國(guó)航天的新歷史。
——這是長(zhǎng)征五號(hào)火箭的第一次工程應(yīng)用性任務(wù)，標(biāo)志著長(zhǎng)征五號(hào)火箭已經(jīng)具備執(zhí)行國(guó)家重大航天工程任務(wù)的條件，承載起中國(guó)人探索行星的發(fā)射使命。
——為擺脫地球引力，火星探測(cè)器需要加速到超過(guò)第二宇宙速度(11.2千米/秒)，從而去往火星。我國(guó)目前的運(yùn)載火箭中，只有長(zhǎng)征五號(hào)具備這一能力。如果發(fā)射成功，這將是我國(guó)運(yùn)載火箭飛出的最快速度，也會(huì)是我國(guó)運(yùn)載火箭首次執(zhí)行地火轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射任務(wù)。
——作為我國(guó)發(fā)射的重量最重的深空探測(cè)器，火星探測(cè)器的重量達(dá)到5噸。在全世界范圍內(nèi)，這一重量的火星探測(cè)器也是屈指可數(shù)，對(duì)運(yùn)載火箭能力提出了極高要求。作為我國(guó)推力最大的新一代運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征五號(hào)起飛推力超過(guò)1000噸，運(yùn)載能力接近25噸，使我國(guó)現(xiàn)役火箭的運(yùn)載能力提升了2.5倍。不同于目前常規(guī)火箭使用的化學(xué)燃料，長(zhǎng)征五號(hào)的燃料大部分是-183℃的液氧和-253℃的液氫，被稱為“冰箭”。與此同時(shí)，長(zhǎng)征五號(hào)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)均為全新研制，120噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)的推力是目前中國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最大的。
——除此以外，長(zhǎng)征五號(hào)火箭采用的5米大直徑箭體結(jié)構(gòu)、全新活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)、三型高性能環(huán)保型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等大量新技術(shù)，技術(shù)跨度大、研制難度高，代表了我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)創(chuàng)新的最高水平。
從1986年啟動(dòng)設(shè)計(jì)論證，到2006年正式立項(xiàng)，再到2016年首飛成功，長(zhǎng)征五號(hào)從無(wú)到有、進(jìn)入世界主流火箭陣營(yíng)，見證了中國(guó)航天人十年鑄一“箭”的艱辛探索。
從2017年長(zhǎng)征五號(hào)遙二任務(wù)發(fā)射失利，到2019年遙三火箭重整行囊、圓滿回歸，再到今年長(zhǎng)征五號(hào)B遙一首飛成功、遙四火箭蓄勢(shì)待發(fā)，中國(guó)大火箭正在走向世界航天舞臺(tái)的中央。
活動(dòng)發(fā)射平臺(tái) 大火箭升空“穩(wěn)穩(wěn)的”
隨著長(zhǎng)征五號(hào)遙四火箭靜待發(fā)射，有“大火箭”座駕之稱的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)吸引了不少目光。據(jù)了解，這套活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)是我國(guó)規(guī)模最大、承載能力最強(qiáng)、系統(tǒng)最復(fù)雜、技術(shù)最先進(jìn)的發(fā)射平臺(tái)。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束之時(shí)，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)將把大火箭穩(wěn)穩(wěn)地送上太空。
我國(guó)現(xiàn)役的各型號(hào)發(fā)射平臺(tái)的規(guī)模是根據(jù)現(xiàn)役運(yùn)載火箭的實(shí)際情況研制的。其中，承載此次發(fā)射任務(wù)的“大火箭”活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)是由航天科技集團(tuán)中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院最新研制的?；顒?dòng)發(fā)射平臺(tái)高近70米，相當(dāng)于24層樓的高度;臺(tái)體的上表面面積達(dá)600多平方米，相當(dāng)于一個(gè)半籃球場(chǎng)，整個(gè)平臺(tái)自重近2000噸。
與以往的發(fā)射平臺(tái)相比，“大火箭”發(fā)射平臺(tái)還少了供電車輛。發(fā)射平臺(tái)上集成了原來(lái)發(fā)射塔上的上百臺(tái)地面設(shè)備，火箭的總裝、測(cè)試、跟地面設(shè)備的接口關(guān)系，都可以在技術(shù)廠房完成。這樣在運(yùn)輸過(guò)程中就能夠保持接口不變、狀態(tài)不變，可以直接運(yùn)輸?shù)焦潭ㄋ?。科研人員的目標(biāo)是三四天就完成發(fā)射準(zhǔn)備工作，火箭在發(fā)射塔的準(zhǔn)備流程可以成倍縮短。
在“大火箭”活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的上表面，有12根柱子一樣的支撐裝置，這是火箭在發(fā)射臺(tái)上的“座椅”，研制人員用了3年多的時(shí)間開發(fā)出了“十二點(diǎn)調(diào)平技術(shù)”，讓火箭可以“坐”得又直又穩(wěn)，這不僅讓火箭受力較好，而且有利于火箭的瞄準(zhǔn)、發(fā)射。
“大火箭”活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上，像這樣的新技術(shù)還有十幾項(xiàng)，它們都是確?；鸺踩?、穩(wěn)妥、可靠的基石。正是這些先進(jìn)的技術(shù)，才讓“大火箭”活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的先進(jìn)性遙遙領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)已有的發(fā)射平臺(tái)。
飛控測(cè)控升級(jí) “探火”全程有保障
在中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中，北京飛控中心將擔(dān)任指揮決策中心、控制計(jì)算中心、數(shù)據(jù)處理中心、信息交換中心和飛行器長(zhǎng)期管理中心。作為任務(wù)飛行控制中心，北京飛控中心還承擔(dān)著地火轉(zhuǎn)移軌道控制、火星環(huán)繞捕獲控制、火面遙操作控制和環(huán)繞器運(yùn)行管理等任務(wù)。
據(jù)介紹，此次任務(wù)將全面采用新一代飛控軟硬件系統(tǒng)。首次火星探測(cè)任務(wù)相對(duì)載人航天和月球探測(cè)任務(wù)，具有航天器平臺(tái)新、探測(cè)領(lǐng)域新、實(shí)施周期長(zhǎng)、測(cè)控模式復(fù)雜、軌道控制要求高以及應(yīng)急處置難度大等特點(diǎn)難點(diǎn)。為此，北京中心科研人員近期開展了多次可靠性測(cè)試、壓力測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試，完成了軟件第三方評(píng)測(cè)，并通過(guò)各項(xiàng)聯(lián)調(diào)演練，全面、系統(tǒng)地檢驗(yàn)了新一代軟件系統(tǒng)以及國(guó)產(chǎn)化硬件平臺(tái)的功能性能和協(xié)同工作的匹配性，為任務(wù)圓滿完成打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器進(jìn)入地火轉(zhuǎn)移軌道后，西安衛(wèi)星測(cè)控中心喀什深空站、佳木斯深空站將為其提供全程測(cè)控支持?；鹦翘綔y(cè)器最遠(yuǎn)探測(cè)距離近4億千米，地火轉(zhuǎn)移時(shí)間近7個(gè)月，對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是前所未有的考驗(yàn)。為此，西安衛(wèi)星測(cè)控中心重點(diǎn)對(duì)兩個(gè)深空站的對(duì)頻率綜合系統(tǒng)、多功能數(shù)字基帶、監(jiān)視和控制系統(tǒng)設(shè)備軟硬件進(jìn)行升級(jí)，為任務(wù)執(zhí)行提供更加穩(wěn)定、強(qiáng)大的測(cè)控保障。
多國(guó)同臺(tái)競(jìng)技 中國(guó)實(shí)現(xiàn)“繞落巡”一步到位
在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，火星探測(cè)已成為目前及未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期國(guó)際航天大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的主要“競(jìng)技場(chǎng)”。今年7月到8月，中國(guó)、美國(guó)和阿聯(lián)酋三國(guó)的火星探測(cè)器將“同臺(tái)競(jìng)技”，原計(jì)劃同期發(fā)射火星探測(cè)器的歐洲航天局則將計(jì)劃推遲到2022年。
7月20日，阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)器“希望”號(hào)由日本三菱重工業(yè)公司成功發(fā)射升空。如果一切順利，“希望”號(hào)火星探測(cè)器將于2021年初阿聯(lián)酋成立50周年之際抵達(dá)火星軌道。
“希望”號(hào)不僅是阿聯(lián)酋首個(gè)火星探測(cè)器，也是阿拉伯世界首個(gè)火星探測(cè)器。它重約1.5噸，設(shè)計(jì)壽命為2年，主要任務(wù)是觀測(cè)火星大氣的溫度和濕度，以及火星氣候的變化等。與中美兩國(guó)計(jì)劃發(fā)射的火星探測(cè)器不同，“希望”號(hào)不會(huì)在火星著陸，而是在距火星表面2萬(wàn)至4萬(wàn)千米的軌道上環(huán)繞火星運(yùn)行。“希望”號(hào)繞火星運(yùn)行一周需要大約55小時(shí)，它將持續(xù)圍繞火星運(yùn)行至少兩年。
美國(guó)也將在今年再探測(cè)火星。美國(guó)航天局“毅力”號(hào)火星車計(jì)劃于7月30日發(fā)射升空，并將攜首架火星直升機(jī)“機(jī)智”號(hào)一同前往火星，其任務(wù)包括尋找可能在火星上存在過(guò)的生命跡象、探索火星的氣候和地質(zhì)特征、為人類登陸和探索火星探路等。此外，“毅力”號(hào)還將攜帶43根樣品管，將采集到的巖石和土壤樣品妥善封裝，等2030年前后的下一次火星探測(cè)任務(wù)時(shí)，把樣品帶回地球。
根據(jù)計(jì)劃，中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)將通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)。此外，任務(wù)還設(shè)定了五大科學(xué)目標(biāo)，主要涉及空間環(huán)境、形貌特征、表層結(jié)構(gòu)等研究。為此，火星探測(cè)器搭載了13種有效載荷，其中環(huán)繞器上7種、著陸器上6種，屆時(shí)將對(duì)民眾關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題開展探測(cè)。中國(guó)發(fā)射火星探測(cè)器，既是為了研究火星、為人類尋找未來(lái)家園，也能夠反觀自身、探究地球的過(guò)去和將來(lái)。記者 劉 峣