“天问一号”:中国首次火星之旅

探测器发射状态的配置 -探测器的双飞行配置 登陆巡逻队的组成 漫游车的三维模拟图 4月24日,在2020年中国航天日的启动仪式上,国家航天局正式宣布中国的行星探测任务命名为“田文系列”,第一次火星探测任务命名为“田文一号”。消息一出来,就引起了全社会的广泛关注,人们都在热烈讨论这次火星探测之旅。 火星,这个红色的星球,自古以来就充满了迷人的色彩。它是

探测器发射状态的配置

-探测器的双飞行配置

登陆巡逻队的组成

漫游车的三维模拟图

4月24日,在2020年中国航天日的启动仪式上,国家航天局正式宣布中国的行星探测任务命名为“田文系列”,第一次火星探测任务命名为“田文一号”。消息一出来,就引起了全社会的广泛关注,人们都在热烈讨论这次火星探测之旅。

火星,这个红色的星球,自古以来就充满了迷人的色彩。它是太阳系中离地球更近的行星之一,拥有与地球最相似的自然环境。它一直是人类深空探测的热点。自1961年以来,人类已经进行了44次火星探测活动,但只有22次成功和部分成功的任务。

这一次,中国来了。

火星,地球的过去或未来

不满足于地球的拥抱,人类将会远眺太空。

在太阳系中,火星的自然环境最接近地球。它们都形成于约45亿年前,它们的组成和结构大致相同,包括核心、地幔和壳。

火星和地球有相似的自转周期。火星上的一天大约是24小时39分钟,和地球一样,它也有四个季节。

但是,从目前人类所掌握的有限情况来看,它们之间有着明显的区别:从外观上看,火星较小,其半径约为地球的1/2,体积约为地球的1/7。

不像我们的蓝色星球有71%的海洋覆盖率,火星有一个红色的表面,这就像一个最明亮的火球。事实上,这种红色不是真正的火焰,但是火星上的温度非常低,接近地球的南极。红色的原因是火星的土壤富含氧化铁,就像土壤生锈一样。这种土壤的形成是由风和水的双重侵蚀造成的。因此,火星上曾经有大量的水和大气。

时间和空间的流动,这个和地球同龄的星球表面是如何变得如此荒凉的?火星是我们的过去还是地球的未来?或许,它也可以成为人类改造的对象,并在几年内成为一个宜居的外星家园?

所有的问题只有在我们“沉浸”之后才能一步一步地得到回答。展望未来,中国的首次火星探索之旅将按计划在今年内开始。

“田文一号”代表了中国对火星的“质疑”

“嘿,九点了,哪个是营地?”

2000多年前,屈原哀叹道。现在,“田文一号”将勇敢地回答。

2020年4月24日,中国首次火星探测任务被命名为“田文一号”。第一次火星探测任务将于今年在海南文昌航天发射场进行。

据悉,此次发射将实现火星环行和着陆巡逻,在火星上进行全球和全面的环行探测,并遥控火星车在火星表面进行区域巡逻探测。“两步一步”的决策实际上是“弯道超车”,但如果能实现一次环绕、一次着陆、一次巡逻,这种跨越式的火星探测方案在中国将成为世界第一次。

作为中国首次火星探测任务的“主角”,田文一号在结构和性能上都有自己的风格:它由一个环绕和一个着陆巡逻组成,着陆巡逻分为一个进入舱和一个探测车。当田文1号运行到选定的入口窗口时,探测器执行轨道下降控制并释放着陆巡逻,而轨道飞行器执行轨道上升控制并进入中继通信轨道,为漫游者提供中继通信链路并进行环绕科学探索。

脱离环绕装置后,登陆巡逻队进入火星大气,通过降落伞下降和反推力装置减速,在火星表面软着陆。火星车与着陆平台分离后,它可以在火星表面工作。

然而,在“田文一号”进入这一阶段之前,它将经历五个相当长的阶段。

从“三环路”到“四环路”,全长4亿公里

在太阳系中,八颗行星围绕太阳旋转,形成八个圆形轨道,其中地球位于“第三环”,火星位于“第四环”。如果你想冲出地球到达火星,从三环路到四环路需要10个多月的时间,直线距离将超过4亿公里。有五个阶段:发射进入轨道,转移地面火力,捕获火星,停泊火星和着陆离开轨道。

其中,地面火力转移阶段是指从探测器与火箭分离到火星重力对球体的冲击的飞行阶段。这个阶段是“田文一号”任务中最耗时的部分,耗时近七个月。

经过数亿公里,“田文一号”进入了火星引力圈,并开始被火星捕获。引擎在“火”附近被点燃并刹车,这降低了探测器的飞行速度,并向下倾斜让火星捕捉。一旦被火星成功捕获,探测器将环绕火星运行,成为一颗“火”卫星。然后,探测器开始进入火星对接站。

火星停泊区不是停泊在火星轨道上,而是在极地轨道上围绕“火”飞行。这个阶段将持续几个月,直到探测器在轨道下降后进入分离阶段。

既然我们已经到达火星轨道,为什么我们要飞几个月而不是直接掉进“火”里?

最初,在此阶段绕火飞行的目的是对地面控制环上的高得分摄像机的首选着陆区域进行详细调查,并拍摄照片和图像。经过多轮精确成像,我们可以清楚地看到“落脚点”,从而更好地控制“田文一号”准确地降落在理想区域。

看清目标后,有必要开始离轨着陆。这一阶段是火星探测任务成败的关键,尤其是从进入火星大气层到着陆这段令人担忧的“可怕的7分钟”——在现有的44次人类火星探测中,只有9次能够安全度过这7分钟。

中国希望在第一次火星探测任务中克服这一困难过程,并让火星车在“火”表面工作三个月。它面临的挑战和可能取得的成就一样前所未有。

掌握新技术,迎接新挑战

嫦娥四号降落在月球背面,中国的太空飞行跨越了38万公里。经过十几年四类任务的不懈努力,它终于能够“梦想广寒宫”。如今,“田文一号”面临着1000倍于地球和月球之间的距离,四分之一的准备时间,以及一次任务中“盘旋、着陆和巡逻”的三个目标。

跨越式的突破必然会带来更多的更新问题。对于北京航天控制中心(以下简称北京中心)的任务模型团队来说,必须勇于面对困难,赢得挑战:

采用超大时变延迟开环控制技术压缩地面火灾的时空距离。火星探测器距离地球4亿公里,信号在地球和宇宙飞船之间来回传输需要44分钟。巨大的时间延迟使得地面无法遵循以前任务中的实时控制模式。为了突破这一瓶颈,北京中心采用超大可变延时开环控制技术,设计了一种全新的超长距离站采集模式。

采用地面火力空间精密定轨和预测技术——全面掌握田文一号的位置。虽然我们知道火星探测任务与以往的近地飞行和月球探测任务在很多方面都有很大的不同,如轨道数据处理和修正方法、时空参考系、轨道动力学模型等。以前任务的积累为田文一号提供了帮助。模型团队设计了首个火星轨道动力学公共库和精密定轨原型软件,并通过模拟拍摄完成了定轨预测全过程的精度分析。他们利用嫦娥二号的扩展试验数据验证了地面火力转移段的部分轨道精度,并证实了当前模型的算法设计能够满足任务轨道确定的精度。能够为火星探测任务提供探索经验和技术支持,我相信正在向更深空间进发的嫦娥二号也应该感到“欣慰”。

采用了月球车远程作业任务规划技术——精确遥控和科学驾驶。在“玉兔一号”和“玉兔二号”的熟练操作之后,北京中心拥有了一支“月球车司机”的熟练团队。然而,面对更远、环境更复杂的火星,很好地“驾驶”这辆漫游者将是一个新的挑战。漫游者有一定的自主性,但是它的目的地、路线和途中的各种动作需要由地面工作人员提前告知。在这方面,操作团队应扮演“先知”的角色,通过掌握、分析和规划火星车当前的环境来预测路线的安全性,否则,岩石和沙丘可能会对其造成“致命伤害”。

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