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飞向火星!中国航天如何修通4亿公里路?2031年将带回火星样品

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这里没有现成的航线,没有沿途补给站。探测器一旦出发,数月飞行中的能源、通信、导航和控制,都要依靠事先设计好的系统完成。中国航天把路修到火星,修出的正是一整套跨越地月空间、进入行星际空间的能力。

今天回头看东方红一号,很容易觉得它只是一颗重量173千克的卫星。但在当年,把它送入太空,意味着中国必须独立完成从卫星研制到火箭发射的一整套工作。



1970年4月24日,长征一号把东方红一号送入预定轨道,中国成为世界上第五个能够独立研制和发射人造地球卫星的国家。那首从太空传回的《东方红》,背后是材料、电子、推进、控制和地面测控等多个领域的共同突破。

早期航天的难处,还在于许多问题没有国内经验可以参考。一个设计能不能用,不能凭想象决定,需要计算、试验、修改,再试验。技术资料、生产工艺和可靠性经验,都要在这个过程中积累。



到后来,中国开始发展载人航天。卫星时代积累的系统工程经验,继续支撑中国迈向载人航天。把人送进太空,任务要求随之改变。飞船除了能够飞,还必须保障航天员生存,能够处理异常,能够安全返回。

2003年,神舟五号完成中国首次载人航天飞行。2007年,嫦娥一号实现绕月探测。中国航天的活动范围逐渐从地球附近向月球延伸,也为更远的探测建立了技术基础。后来的火星任务,就建立在这些积累之上。

火星是地球的邻居,但这个邻居并不总在同一个地方。地球和火星都绕太阳运行,公转速度、轨道位置不同,两者之间的距离也不断变化,从5500万公里到4亿公里。

实际飞行又是另一回事,探测器从地球出发,要沿着设计好的行星际轨道,在合适的时间与不断运动的火星交会。

天问一号在2020年7月23日发射,经过202天飞行,于2021年2月10日进入环火轨道。抵达时累计飞行约4.75亿公里,距离地球约1.92亿公里,通信单向时延约10.7分钟。

距离带来的第一个难题,是地面无法即时指挥。按光速计算,在4亿公里距离上,无线电信号单程传播约22分钟。地面发出一条指令,探测器接收到后立即回复,回复信号抵达地球也已经是约44分钟之后,这还没有计入设备处理和实际执行的时间。

如果探测器正在进行几分钟内必须完成的关键动作,地面人员显然来不及根据现场变化逐步下达指令。



第二个难题,是信号越来越弱。在其他条件相同的情况下,自由空间中的信号功率密度大致随距离平方衰减。距离增加10倍,功率密度就下降到原来的约百分之一。探测器能够携带的能源和通信设备有限,不能无限增加发射功率。地面必须通过更大的天线、更灵敏的接收设备和更有效的信号处理,把微弱信号从噪声中提取出来。

导航同样如此,数月飞行中,一点速度误差就可能逐渐积累,影响最终交会。因此,天问一号需要中途修正和深空机动,持续调整轨道,最终准确抵达火星附近。从地球到火星,远的不只是距离。通信方式、控制方式和可靠性要求,都发生了变化。

火箭发射时,探测器能否走完长途,离不开分布在地面的测控设施。地面需要知道探测器在哪里、飞得多快、状态是否正常,再根据这些信息安排轨道修正和科学探测。探测器获取的数据,也要通过通信链路返回地球。

为支撑嫦娥一号任务,我国在青岛、喀什测控站新建18米口径天线。此后,喀什和佳木斯深空站投入使用,海外深空站也加入网络。测控能力从服务月球探测,逐渐扩展到服务行星际任务。

为什么需要多个站点?

因为地球在自转,一个地面站能够看到的天空有限,探测器会随着地球转动离开它的可见范围。不同地理位置的站点接力工作,可以减少观测和通信的空档。天问一号任务中,喀什、佳木斯和阿根廷深空站共同承担测控支持。它们接收遥测和科学数据,发送指令,并提供用于确定探测器轨道的测量信息。



接收到信号后,还要把其中的信息变成可靠判断。通过无线电往返传播时间,可以测量距离。通过信号的多普勒变化,可以判断沿视线方向的运动。结合多个站点的测量,再进行轨道计算,才能估计探测器的空间位置。

距离越远,这些工作越需要稳定的时间频率基准、可靠的设备和精细的数据处理。

多天线组阵也是提升接收能力的重要办法,它通过联合处理多副天线收到的信号,增强对深空弱信号的接收能力。天问一号任务前的能力升级和新建组阵系统,使我国跟踪、测量和数据传输的支撑范围,从探月任务的几十万公里扩展到数亿公里。

因此,把路修到火星,既要造出能飞过去的探测器,也要建成能够持续支持它的地面系统。

天问一号要在一次任务中完成环绕、着陆和巡视,这意味着环绕器、着陆系统与火星车必须协调工作,每一阶段还要为下一阶段创造条件。

首先是进入环火轨道。探测器高速抵达火星附近时,需要按计划启动发动机减速,才能被火星引力捕获。天问一号实施近火捕获制动时,3000牛轨控发动机工作约15分钟,最终成功进入环火轨道。

随后,环绕器开展探测,为着陆提供支持。真正进入火星大气后,着陆巡视器还要面对一段高度紧张的下降过程。



火星大气稀薄,降落伞不能独自完成全部减速。着陆系统需要把气动减速、伞降、动力减速和着陆缓冲接续起来,还要完成姿态控制、距离判断和避障。

2021年5月15日,天问一号着陆巡视器进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功着陆于乌托邦平原南部预选着陆区。5月22日,祝融号驶离着陆平台,开始火星表面巡视。

这九分钟里,地面无法像操作近距离设备那样,看到危险再及时接管。着陆系统必须依据自身测量,按照预先设计的逻辑完成一连串动作。

走到火星,接下来要解决的是怎样回来。2026年4月24日,国家航天局公布,天问三号计划于2028年前后发射,2031年前后携带火星样品返回地球。目前公布的是任务计划,后续仍要完成研制、试验和飞行验证。



火星采样返回,探测器需要获取和保存样品,从火星表面起飞,在火星附近完成样品转移,再踏上返回地球的旅程。

从火星表面起飞尤其困难,那里的上升器没有常规发射场保障,经历长途飞行和火面环境考验后,仍须可靠启动,把携带样品的装置送入预定轨道。

从东方红一号到神舟,从嫦娥到天问,中国航天前进的距离越来越远,背后能够解决的问题也越来越多。

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