綜合新華社四川日報 2020年07月24日
7月23日，我國首次火星探測任務(wù)“天問(wèn)一號”探測器成功發(fā)射升空
2300多年前
愛(ài)國詩(shī)人屈原仰望星空，以《天問(wèn)》提出177個(gè)問(wèn)題，闡發(fā)對宇宙萬(wàn)物的理性哲思
2300多年后
我國首次火星探測任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號”，厚植于中華民族傳統文化精髓，體現著(zhù)跨越兩千多年的不懈求索
世界首次一步實(shí)現火星探測“繞、著(zhù)、巡”，最遠距離達4億公里如何實(shí)現超遠距離深空通信？火星探測器發(fā)射后將經(jīng)歷怎樣的歷程到達火星？23日，“天問(wèn)一號”探測器成功發(fā)射升空，記者梳理了一份此次火星探測的“觀(guān)賞指南”。
此去前路漫漫 還有諸多挑戰
世界首次 一步實(shí)現“繞、著(zhù)、巡”
火星是離地球較近且環(huán)境最相似的星球，一直是人類(lèi)走出地月系統開(kāi)展深空探測的首選目標。目前，人類(lèi)已對火星實(shí)施了44次探測任務(wù)，其中成功了24次，火星是目前人類(lèi)認識最深入的行星之一。
通過(guò)以往對火星的探測，人們在火星上發(fā)現了存在水的證據。火星上是否存在孕育生命的條件以及火星是地球的過(guò)去還是未來(lái)？這些問(wèn)題一直縈繞在科學(xué)家心頭，成為火星研究的重大科學(xué)問(wèn)題。
我國首次火星探測任務(wù)憑借火星環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器的超強陣容，可一步實(shí)現火星“環(huán)繞、著(zhù)陸、巡視”三個(gè)目標，這是其他國家在首次實(shí)施火星探測任務(wù)時(shí)從未實(shí)現過(guò)的。基于現有航天能力，“奔火”飛行7個(gè)月左右即可到達。
臨門(mén)一腳 制動(dòng)捕獲“踩剎車(chē)”
火星捕獲是火星探測任務(wù)中技術(shù)風(fēng)險最高、最為重要的環(huán)節之一，在火星探測器從地球飛向火星的過(guò)程中，能夠被火星引力所捕獲的機會(huì )只有一次。利用火箭助推，探測器獲得了擺脫地球引力的能量，使用精心設計的轉移軌道，探測器能夠最終順利抵達火星附近。
然而，受限于攜帶的推進(jìn)劑有限，環(huán)繞器在抵達火星后，必須把握住唯一的機會(huì )對火星進(jìn)行制動(dòng)捕獲。此次火星探測任務(wù)捕獲時(shí)探測器距離火星僅400公里，而此時(shí)探測器相對火星的速度高達4到5公里每秒，一不留神就會(huì )撞擊火星或飛離，捕獲的成功與否成為火星探測任務(wù)成敗的關(guān)鍵。
在這一制動(dòng)捕獲過(guò)程中，火星環(huán)繞器面臨諸多挑戰。由于捕獲時(shí)探測器距離地球1.93億公里，單向通信時(shí)延達到10.7分鐘，地面無(wú)法對這一制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，只能依靠探測器自主執行捕獲策略。此外，在制動(dòng)過(guò)程中，環(huán)繞器需要在自身出現突發(fā)狀況時(shí)自主完成相應處理，最大限度保證火星捕獲成功。
4億公里 超遠距離深空通信
環(huán)火飛行階段，由于地球和火星的運行規律，探測器距離地球最遠達到4億公里。為了解決超遠距離通信問(wèn)題，火星環(huán)繞器裝備了測控數傳一體化系統，實(shí)現了系統重量輕、通信效率高、通信鏈路可靠的目標。
為補償空間衰減，火星環(huán)繞器配置了大功率行波管放大器以及大口徑可驅動(dòng)的定向天線(xiàn)，大幅度提高探測器到地球通信能力。
自主管理 探測火星需要會(huì )思考的“大腦”
通常情況下，環(huán)繞地球運行的衛星都是由地面控制中心根據衛星的實(shí)時(shí)狀態(tài)和任務(wù)要求進(jìn)行控制的。但火星環(huán)繞器由于探測器到地球的距離遠，通信延時(shí)大，無(wú)法完全依靠地面指令對星上出現的突發(fā)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。
此外，環(huán)繞器與地面站通信有其空間的特殊性，導致通信中斷（“日凌”）的時(shí)間最長(cháng)可達30天，其間需依靠自身完成長(cháng)期任務(wù)管理，并在出“日凌”后及時(shí)調整天線(xiàn)指向，迅速重新與地面建立聯(lián)系。
據悉，在此次火星探測任務(wù)的關(guān)鍵節點(diǎn)，自主管理同樣需要發(fā)揮巨大作用。在火星探測器進(jìn)行環(huán)繞器與著(zhù)陸巡視器分離時(shí)，環(huán)繞器需在短時(shí)間內完成3次調姿和2次變軌，對姿態(tài)及位置測量及控制精度要求非常高。
多樣載荷 給火星拍個(gè)“中式定妝照”
此次火星環(huán)繞器上共搭載7種有效載荷，可對地火轉移空間、火星軌道空間、火星表面及其次表層開(kāi)展科學(xué)探測，獲取行星際射電頻譜數據、火星表面圖像、火星地質(zhì)構造和地形地貌、火星表層結構和地下水冰分布、火星礦物組成與分布、火星空間磁場(chǎng)環(huán)境、近火星空間環(huán)境和地火轉移軌道能量粒子特征及其變化規律。
其中中分辨率相機可對火星全球開(kāi)展地形地貌普查，高分辨率相機可對火星重點(diǎn)地區開(kāi)展局部高分辨率地形地貌詳查，將為火星拍下來(lái)自中國的“定妝照”。
準備12年 全方位支撐“繞、著(zhù)、巡”
“天問(wèn)一號”火星探測任務(wù)，國際上首次實(shí)現“繞、著(zhù)、巡”一氣呵成。
在川央企中電天奧參與完成了測控系統、運載火箭系統、發(fā)射場(chǎng)系統和地面應用系統四大部分任務(wù)。“我們準備了12年。”該企業(yè)負責人說(shuō)，12年前獲得“中國深空第一站”——佳木斯66米深空測控站研制任務(wù)。此次，“天問(wèn)一號”火星之旅“繞、著(zhù)、巡”都離不開(kāi)深空測控站的支撐。
“繞”，精準飛向火星。此次任務(wù)中，由環(huán)繞器和著(zhù)陸巡視器組成的探測器需在太空中飛行7個(gè)月左右，才能到達火星。到達火星后，“天問(wèn)一號”進(jìn)行制動(dòng)，被火星引力捕獲進(jìn)入環(huán)繞軌道，成為環(huán)繞火星飛行的人造衛星，對火星的地形以及著(zhù)陸點(diǎn)進(jìn)行勘測。佳木斯66米深空測控站采用的捕獲技術(shù)好比“聽(tīng)診器”，負責在外太空噪聲中捕獲探測器信號，為探測器對火星的地形地貌勘測等提供保障。
“著(zhù)”，不再恐懼“黑暗7分鐘”。條件合適時(shí)，著(zhù)陸巡視器將與環(huán)繞器分離軟著(zhù)陸于火星表面，這個(gè)時(shí)間僅7分鐘，即航天人口中的“黑暗7分鐘”——由于距離遙遠功率受限、數據速率極低，地球上的飛行控制中心很難精準掌握著(zhù)陸器降落情況。中電天奧的研發(fā)團隊通過(guò)數據慢幀處理策略的優(yōu)化，提高信息有效幀數量，能得到更多著(zhù)陸巡視器降落時(shí)的寶貴信息。
“巡”，做好火星探測“記錄者”。當著(zhù)陸巡視器在火星表面開(kāi)展巡視探測時(shí)，環(huán)繞器也將開(kāi)展為期2年的中繼和遙感探測。在這一階段，佳木斯66米深空測控站還可以起到手機的作用，實(shí)現圖像等數據的接收，并解調巡視器拍攝的火星表面的圖像，為全面掌握“人類(lèi)第二家園”的特征提供支持。
“天問(wèn)一號”火星之旅
“四川造”在護航
□川報記者 朱雪黎
7月23日，我國首次火星探測任務(wù)“天問(wèn)一號”探測器在文昌航天發(fā)射場(chǎng)升空，正式開(kāi)啟了中國人自主探測火星之旅。承載此次“天問(wèn)一號”發(fā)射任務(wù)的，是長(cháng)征五號遙四運載火箭。
這趟意義非凡的“火星之旅”中，有多項“四川造”助力護航。
100%合格 長(cháng)五遙四上有“四川造”
作為火星探測任務(wù)多種關(guān)鍵產(chǎn)品的重要制造單位——位于成都的四川航天技術(shù)研究院，主要負責了長(cháng)五遙四火箭上配電器、附加控制器等重要單機及地面測發(fā)控整體系統的生產(chǎn)制造任務(wù)。任務(wù)啟動(dòng)至今，已完成35項129臺(套)產(chǎn)品的生產(chǎn)交付任務(wù)，產(chǎn)品交付合格率100%。
此次共交付液壓阻尼作動(dòng)筒、分離火箭等。其中，交付長(cháng)五遙四火箭用火工品占箭上全部火工品的95%以上。此外，成功應用在火星探測器上的兩種電磁閥產(chǎn)品，組成了配套的發(fā)動(dòng)機推進(jìn)系統。
該研究院相關(guān)負責人介紹，針對長(cháng)五遙四火箭“長(cháng)壽命、高可靠”等技術(shù)特點(diǎn)，根據機械加工、電子裝聯(lián)等8大類(lèi)不同專(zhuān)業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)，研究院制定了近千份工藝指導和保障文件。“研發(fā)設計人員對設計方案和性能反復論證、試驗、修改，不斷提升產(chǎn)品的安全性、穩定性和可靠性。”
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