我国预计在2020年左右发射一颗火星探测卫星

曾在珠海航展展出的火星车模型

中国的火星计划来了

不久前,在首个“中国航天日”新闻发布会上,国家航天局局长许达哲透露,火星探测任务已经批准立项,我国预计在“十三五”规划的末年,即2020年左右发射一颗火星探测卫星。中国的火星计划终于来了!

我国火星探测任务要一次实现环绕、着陆、巡视,这种形式在国外从没有过

我国的火星探测发射目标是想一步环绕、着陆、巡视,这个任务具有相当大的难度。因为火星探测要26个月才能遇到一个时间窗口,所以专家们正在严密地制定工程计划,争取在2020年这个窗口发射我国第一个火星探测器。据许达哲介绍,尽管我国的飞行器已经进入了深空,但是完成火星探测任务仍不可或缺,探测火星意味着中国从真正意义上迈入深空探测时代。

中国火星探测工程有望一次性完成绕、落、巡三项任务。中国航天科技集团五院火星项目顾问叶培建院士表示,“与印度‘曼加里安’号探测器只是绕火星赤道轨道飞行不同,我国首个火星探测器将绕火星进行大椭圆轨道飞行,对火星进行全球观测,并由进入器载着巡视器着陆火星,巡视器会在火星上‘走起来’。”

“每隔两年或三年,才有一次火星距离地球最近的机会,在这个时间点上发射火星探测器,对运载火箭来说是最省能量的。考虑到火星探测器的质量,将由我国长征五号运载火箭来完成发射任务。”中国航天科技集团一院宇航部副部长马志滨介绍说。

我国的火星探测任务要一次实现环绕、着陆、巡视,这种形式在国外是从没有过的,国外曾拟一次实现环绕和着陆,但着陆失败了。

火星探测涉及的技术领域非常多,特别之处还在于,虽然火星车是一个空间探测器,但与一般空间探测器相比,它又具有鲜明的特点。

首先,任务对火星探测器的自主能力要求非常高。考虑到在火星表面进行巡视探测的实际条件和要克服时延等限制,要求火星车具备较强的环境感知与识别、路径规划等能力,以及具备较强的任务分析、规划和实现能力。也就是说,火星探测器要具备确定行驶路线、发现障碍危险的能力。

为了实现巡视探测,火星探测器还要具备较高的环境适应性。除了需要面对普通航天器遇到的真空、低温、辐射等问题,也需要适应火星表面的地形地貌、尘暴、低重力、高低温、低气压等特殊环境,还需要解决远距离通讯,以及长时间日凌时期的探测器自主管理等一系列问题。

人类希望有朝一日在火星建立居住基地,最终向火星移民

中国航天科技集团五院研究员庞之浩说,人类之所以对火星探测如此青睐,是因为探测火星具有重要的科学、技术等多方面意义,甚至关系到人类的未来。目前火星已成为除地球以外人类研究程度最高的行星,人类利用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。

通过长期的天文观测和空间探测,科学家已经确定,火星是与地球最为相似且距离最近的行星,探究火星生命的起源和演化,可以促进对地球生命起源和演化的研究。

火星的自转速度与地球几乎相等,自转一周为24.6小时,公转周期为687天;火星上有稀薄的大气,有四季交替的气候变化;火星地貌同地球地貌差不多,有高原、平原和环形山;特别是火星大气层中也存在臭氧层,可以吸收太阳光中的紫外线,为火星表面创造有利生物生长发育的条件。因此,人类希望有朝一日在火星建立居住基地,最终向火星移民,把它变成人类的第二家园。

大量迹象还表明,火星以前很可能与目前的地球一样,只是经过几十亿年的演化才变成大气层稀薄、温度较低、水源枯竭等样子。不少天文学家推断,火星是地球的未来。因此,探测或载人登陆火星进行研究,可以为防止地球变成人类难以生存的第二个火星提出预案。

截至2016年6月,全球共进行了114次月球探测,43次火星探测。不过,从20世纪90年代至今,人类共进行了18次火星探测,而月球探测只进行了14次。目前有5个火星轨道器和2辆火星漫游车在工作,但只有1个月球轨道器和1个月球着陆器在工作。世界航天大国都制定了以火星系统为目标的探测计划,由此可见,当今的火星探测比月球探测还热。

在火星探测方面,美国独占鳌头。从20世纪90年代起,美国开始实施“火星生命计划”,以确定火星上是否存在生命;2001年美国发射了“火星奥德赛”,该探测器首次发现火星上有大量水冰;2003年,美国先后发射了第二代火星车——“勇气号”和“机遇号”,它们再次证实火星上有水;2013年美国发射的“火星大气与挥发物演变”是世界首个研究火星上层大气的探测器。

俄罗斯与欧洲航天局合作研制的“火星生物学—2016”在今年3月14日发射成功,用于探测火星大气中的甲烷含量和验证火星着陆技术;2020年,俄罗斯还将与欧洲航天局合作执行“火星生物学—2020”任务。

2013年11月5日,印度发射了第一个火星探测器——“曼加里安”,成为亚洲第一个成功探测火星的国家。由于印度运载火箭推力较小,所以“曼加里安”不能靠火箭推力直接进入地火转移轨道,而是先绕地球20多天,靠探测器自身的发动机多次点火加速才能逐渐达到第二宇宙速度。“曼加里安”用于研究火星表面、大气和矿物特征,探寻火星上是否有甲烷和生命迹象。

这次任务最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速只有一次机会

据中国航天科技集团公司五院总体部的火星探测器总设计师孙泽洲介绍,火星探测任务面临着许多技术挑战。

首先是火星大气问题。火星大气气压很低,只有地球表面大气压力的1%,具有很高的不确定性。有关它的变化和风暴时特性等因素,科学家们还没有透彻的认识。火星在夏季常形成类似地球沙尘天气的尘暴,这会导致火星车接收的太阳光能量急剧下降,必须为火星车设计“休眠”模式,让其耐心地等待尘暴过去。

其次是光照问题。火星距离地球最远4亿公里,距离太阳更远。同样面积下,火星接收太阳光的能量只有月球表面的40%。同时,火星大气对太阳光照还有削减作用,这为火星探测的能源供给带来难题。这就要求探测器的太阳翼面积更大,而且需不断调整,努力对准太阳方向。还有,火星表面重力只有地球的38%,但是比月球表面的重力大多了,因此探测器需要更大的功率。

“这次火星探测任务最核心、最难的地方,就是探测器进入火星大气后气动外形和降落伞减速的过程,只有一次机会,必须确保成功。”孙泽洲说,由于地球与火星距离遥远,整个过程无法由地面实时控制,所以必须依靠探测器自主完成。由于没有那么多的推进剂来抵消那么高的速度,所以登陆火星时,减速要依靠火星大气的作用,然而火星大气难以在地面模拟。这些问题都给设计师们带来极大的技术挑战。

庞之浩说,总体来讲,探测火星的方式与探测月球的方式相似,也是“绕、落、巡、回”, 最终实现载人登陆火星的目标。由于火星距离地球比月球距离地球要远得多,所以探测火星需要攻克一系列更复杂的技术难关。目前还没有一个国家或组织通过一次发射就成功完成“绕、落”两项火星探测任务的先例,而我国将在2020年通过一次发射完成“绕、落、巡”三项火星探测任务,这将是史无前例的巨大技术挑战。

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