观火:天问一号任务立项往事

  来源:中国航天报 

  人类对火星的探测任务接近半数都失败了,幸存者们则带着满腹好奇,拍下了熔岩平原、沙丘之海、环形山和深邃的峡谷,甚至发现了古老星球水源遗留的痕迹。

  微观与宏观,往往构成人类认知世界的两个极端。如今,人类针对火星开展的探测活动试图将两个极端融合起来——在宇宙中寻找生命的起源。火星,这颗人类孜孜以求探索了60年的红色星球,正一点点地被揭开神秘面纱。人类认识宇宙,认识生命的边界也在不断扩展。

  如今,中国也出发了。

中国火星探测器试验队中国火星探测器试验队

  火星狂想曲

  夜观天象的中国古人发现火星状如红色萤火,亮度常有变,令人迷惑,遂称其为“荧惑”。“荧荧火光,离离乱惑”。难以摸清其运行规律的古人,还将火星在象征帝王的心宿二附近徘徊时红光满天的天象视作大凶之兆。

  在西方,火星同样进入各式神话与想象之中,被视作“战神”的象征。一直到近代,由天文望远镜和天文爱好者一同缔造的“火星运河”概念,还一度在西方掀起人们对这颗红色星球的炽热狂想。

  二十世纪,高倍数望远镜和光谱分析等技术手段的出现,新一轮的火星狂想曲开始了。后来借助飞速发展的航天技术,人们甚至将探测器送到红色星球的上空,有的甚至与它亲密接触。火星,这颗与地球最近也相隔5500万公里的地外行星,终于不再被文学想象所独占,开始步入现代科学的探索范畴。

  火星一直以来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(含不久前刚发射的阿联酋“希望号”任务)。“可以说,除月球之外,火星是最受关注的天体。”中国首次火星探测工程副总设计师兼地面应用系统总指挥李春来说。

  现代科学研究发现,在太阳系的八大行星中,火星与地球最为相似,两者自转周期相似,一个火星日大约是24小时39分钟;而且火星和地球一样有四季更迭。火星的质量和体积小于地球,它的半径约为地球的1/2、体积约为地球的1/7。火星内部能量更快散失,更早地进入了衰老期,为地球展示了一个完整的演化历史。科学家认为,这对认识地球的过去、现在和未来,有着不可替代的作用。

  随着火星的神秘面纱逐渐被掀开,人类也被带入了另外一重基于科学探测的想象——火星上是否有生命存在?带着疑问,在火星上寻找生命的遗迹,成为火星探测中最激动人心的目的之一。

  老年星球的水之谜

  寻找可能的生命,水无疑是一条重要的线索。水是生命赖以生存的最基本条件,是构成生物体的主要成分。我们生活在一个71%由海洋覆盖的蓝色星球,那红色明亮的火星呢?

火星火星

  30多亿年以来,火星表面一直处在与现代火星环境相似的寒冷和干旱的状态,表面不存在液态水,实际探测也证实了这一点。但是,在火星次表层是否存在地下水?地下水系统能维持多长时间?为了回答这些问题,人类发射火星探测器,利用各种遥感技术对火星进行全方位的探测:二是借助高精度和高空间分辨的现代分析技术,在实验室对火星样品(即火星陨石)进行分析测试。

  大量探测结果表明,约35亿年之前,火星有过一段温暖湿润的时期,曾有河流、湖泊和海洋。主要证据之一是河流冲刷形成的地形地貌。对火星表面化学组成和矿物组成的探查,进一步证实液态水的存在,其中包括岩石在水的作用下发生风化形成的粘土矿物,以及湖泊蒸发沉淀出来的盐类矿物。美国“好奇号”火星车对着陆区的Cale撞击盆地的详细调查,曾证明那里以前是湖泊。

科幻电影《火星救援》中,美国宇航员马克·沃特尼被滞留火星科幻电影《火星救援》中,美国宇航员马克·沃特尼被滞留火星

  火星在最明亮的时候如同一颗火球,其实温度极低,接近于地球的南极。呈现红色的原因,是因为火星的土壤富含氧化铁,就像土地生了锈。这是风与水双重侵蚀作用的结果,由此也证明火星曾经存在过大量的水和大气。

  一项项科学成果的出现,加深了人类对火星的认识:火星曾有足够的内部热能、地质构造活动强烈、岩浆—火山作用活跃,形成了太阳系最高的火山山峰——奥林帕斯山和太阳系最长的峡谷——水手大峡谷;火星曾有比现在浓密得多的大气层,表面存在过液态水,火星表面观测到干涸的水系、湖泊和海洋盆地,有过适宜生命繁衍的环境,并可能孕育过生命;火星存在小天体撞击形成的巨大撞击坑和洪水冲刷的痕迹。对火星电离层的探测还发现,由于缺少偶极磁场保护,在太阳风粒子的轰击下,火星上的氢离子与氧离子以2:1的比例逃逸,解释了另一部分水的丢失之谜。

  如今火星已经是一颗老年期的行星,人类对它的探测成果,有效促进了对太阳系起源与演化、地外生命信息探寻、比较行星学等深空探测重大科学问题的研究,并激发了深入探测火星甚至载人探测的热情。

  “中国也渴望加入到探测队伍中来。探测和研究火星,最终目的是为地球和人类社会的可持续发展服务。”中国首次火星探测任务工程探测器系统总设计师孙泽洲说。

  中国深空探测的起点

  在“嫦娥一号”任务取得圆满成功后,中国也在谋划深空探测后续发展,火星很快进入视野。孙家栋、叶培建等院士就提议要抢占先机,启动探火任务。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。国家国防科工局立即组织专家组开展发展规划和实施方案论证。火星探测,成为中国深空探测的起点和重点。

  另一方面,中国还以国际交流合作的形式,尝试“搭车”去火星。2011年11月8日,由航天科技集团八院509所研制的“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起飞,“萤火”取自“荧惑”谐音。

  但“福布斯-土壤”探测器未能按计划变轨,随后欧空局方面宣布放弃获取探测器信号的尝试,任务以失败告终。

  “萤火一号”出现意外之后,中国决心自主开展火星探测任务。有专家总结,中国要想实现自主深空探测,除了探测器这个“主角”,还要解决运载火箭推力不够的问题,并织起更强大的深空探测网。

  探测器系统副总指挥李振才回忆,“2013年3月,航天科技集团的专家提出‘我们自己上火星’,一步实现环绕、着陆、巡视探测的目标。”2014年9月,国防科工局探月与航天工程中心召开首次火星探测任务先期启动会,明确了要围绕探测器这条主线,启动先期研制工作。航天科技集团五院立即成立型号研制队伍,从2014年10月开始“自掏腰包”,先动了起来。那时,一些重要的试验保障设施还不齐全。

  在对实施方案经过三轮迭代和深化后,中国首次火星探测任务(行星探测工程天问一号任务)于2016年1月批准立项,把目标定为:在国际上首次通过一次发射任务,实现火星环绕、着陆、巡视探测,成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。

  当时我国已成功完成数次月球探测任务,为探火任务打下了的基础。探火任务由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控、地面应用5大系统组成。工程目标为:突破火星制动捕获、进入/下降/着陆、长期自主管理、远距离测控通信、火星表面巡视等关键技术,实现火星环绕探测和巡视探测,获取火星探测科学数据。

  通过这一任务的实施,推动我国深空探测活动可持续发展。科学目标则是通过环绕火星探测和火星表面巡视探测,研究火星形貌与地质构造特征;研究火星表面土壤特征与水冰分布;研究火星表面物质组成;研究火星大气电离层及表面气候与环境特征;研究火星物理场与内部结构。

  五大系统就位,“天问一号”启程

  中国深空探测“领路人”之一的叶培建院士,回顾自己在参与东方红一号的年代,根本不敢想象有生之年还能看到中国迈向火星。他赋诗曰“红色星球走一回,四亿征程只等闲”。

天问一号火星车示意图天问一号火星车示意图

  2016年~2018年,探测器的初样研制工作历时两年,做了800多个专项试验。2018年9月,探测器转入正样研制阶段;2020年3月,探测器顺利通过出厂评审,4月初运抵文昌航天发射场。

  探测器系统总指挥赫荣伟表示,在不到4年的时间内,探测器完成研制验证、出厂,这是所有参研单位的工程师、科学家辛勤劳动所得的,大家创造了中国航天同类型号的研制记录。探测器的参研单位多达600余家,多线并行,多地并进;各阶段总装、测试及大型试验涉及大量的协调管理和资源保障工作;光软件规模就高达155万行代码……

  “我们起步晚了,但三个目标一次任务完成,起点很高;我们的成果来得慢了,但从工程立项到产品出厂这么快,是你们的光荣和自豪,更要珍惜这次机会。”叶培建对火星探测器研制团队道出肺腑之言。

  “而且,中国火星探测没有重复其他国家的老路”,今年两会期间,全国政协委员、航天科技集团五院党委书记赵小津表示,一次发射实现三大目标,这是其他国家火星探测任务从没有过的,面临的挑战也是前所未有的。

中国火星着陆器悬停避障试验中国火星着陆器悬停避障试验

  去年11月14日,中国火星探测任务首次公开亮相。当天,中国国家航天局邀请部分外国驻华使馆及国际组织人员,赴河北怀来观摩着陆器悬停避障试验。安全着陆是火星探测任务最艰巨的挑战之一。因为现在的火星是一个干旱、寒冷的世界,大气稀薄,尘暴肆虐,试验旨在验证探测器安全着陆火星的“本领”。

长征五号遥四运载火箭长征五号遥四运载火箭

  据火箭系统总设计师李东介绍,在此次火星探测任务中,具备5吨地火转移轨道运载能力的长征五号火箭,第一次达到并超过第二宇宙速度,将探测器送上通往红色星球的“长途高速公路”。

  在深空探测的漫长旅途上,信号十分微弱,如果接收不到信号,就无法对探测器的运行状态做出判断和调整。北京航天飞行控制中心专家麻永平也表示,之前中国还没有达到探测火星的测控要求,后续规划中要建大口径天线,慢慢具备火星探测、测控的能力。

  为圆满完成这次探测任务,测控系统基于现有航天测控网和深空探测网(包括北京航天飞行控制中心、佳木斯测控站、喀什测控站、阿根廷测控站等),在喀什站补充建设了3副35m口径天线,与已有天线组成天线阵系统,以完成对火星探测器状态监视、轨道测量、飞行控制、在轨管理和应急处置等任务。

  2020年年初,地面应用系统在天津武清还建成了1副70m口径天线,与已有地面数据接收天线进行组阵,接收火星传回的科学数据。这副亚洲最大的单口径全可动天线,将接收最远4亿公里外火星车传回地球的微弱信号。

  万事俱备,2020年7月23日,数亿公里的“天问”之旅正式开始。长征五号踏焰而起,这也是中国火箭飞得最快的一次。

新浪科技综合

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