為何各國“探火”都選在同一時間段

於紫月

2020年07月07日08:59  來源:科技日報
 
原標題:多個火星探測器計劃七八月升空 為何各國“探火”都選在同一時間段

目前,計劃在7—8月擇機發射的美國“毅力號”火星探測器和阿聯酋“希望號”火星探測器已進入發射“倒計時”。而我國首次火星探測任務——“天問一號”的發射也備受關注。不久前,中科院院士、航天科技集團科技委主任包為民接受央視記者採訪時透露,今年7—8月,“天問一號”將進行發射。

這場多國登台的“探火”大戲讓人拭目以待。

在窗口期發射,省時省力省錢

包括中國在內,今年計劃“探火”的國家不約而同將火箭發射日期選在7—8月,這是為什麼呢?

“今年7—8月是火星探測‘窗口期’。”中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉勇表示,火星和地球幾乎在同一軌道面圍繞太陽公轉,地球公轉周期為1年,火星公轉周期約為2年。如果在環形跑道上讓地球和火星進行一場賽跑,發令槍響后“慢吞吞”的火星大約每兩年會遇上地球一次,此時兩行星距離最近。在這一時刻前后,從地球發射火星探測器,能讓人類“探火”之旅的“趕路”時間更短、所攜燃料更少、成本更加低廉。

然而,即便是這最短的飛行距離,探測器仍要經歷一場“長途旅行”。

中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張偉告訴科技日報記者,火星距離地球最遠約4億公裡,最近也要約5600萬公裡,以我國此次將要發射的火星探測器為例,需要飛行200余天才能到達遙遠的火星。

探測器“趕路”期間,地球和火星始終相對運動著。因此,探測器飛行軌道設計裡頭藏著大學問。

“火星探測器往往沿著地火之間的霍曼轉移軌道飛行。”劉勇說。

霍曼轉移軌道由德國物理學家瓦爾特·霍曼提出,是一種變換航天器軌道方法的統稱,途中隻需兩次引擎推進,相對節省燃料。

劉勇指出,火星探測器發射升空后,先在地球附近加速,進入橢圓形的霍曼轉移軌道慣性飛行,不需耗費自身所攜燃料﹔等到達火星附近“剎車”減速,最終被火星捕獲。這就要求探測器發射時,火星和地球的相對位置必須提前計算好,使得探測器的霍曼轉移軌道能夠與火星公轉軌道在某一時刻相切。兩軌道的切點就是探測器將被火星軌道捕獲的空間位置,這一特定時刻就是探測器真正投入火星“懷抱”的時刻。

結合地球、火星的公轉周期,以及軌道設計的相關內容,科學家通過詳細周密的計算得出,在地球上每隔約26個月是發射火星探測器的最好時機,“窗口期”由此而來。

如果錯過今年7—8月這次“窗口期”,下次火星探測的好時機隻能等到2022年。例如,歐洲空間局(以下簡稱歐空局)與俄羅斯航天局合作研發的火星探測器原定於今年7月發射,但因疫情及其他技術因素影響,不得不推遲到兩年后發射。

目的地相同,“趕路”時間不一

如果翻閱歷史資料就會發現,即便國際上歷次火星探測幾乎都沿著霍曼轉移軌道飛行,“趕路”時間卻有長有短。

美國發射的“水手4號”火星探測器,從距離火星1萬公裡的高空處拍攝並回傳了第一張火星表面的照片。這張充滿了隕石坑的照片當時震驚了科學界。該探測器於1964年11月底發射,1965年7月中旬飛越火星,時隔8個半月。

與“水手4號”同一系列的“水手9號”則在“趕路”途中費時較少。該探測器於1971年5月底發射,同年11月中旬抵達,成為人類派往火星考察的第一顆人造火星衛星。飛行時間僅5個半月。

隨著時間推移,后續發射的火星探測器飛行時間反而有增長趨勢。

據此前《人民日報海外版》報道,此次我國首次火星探測任務計劃飛行7—8個月。當然,還有時間更長的“探火”之行。如1975年美國發射的“海盜1號”,耗時10個月駛向火星﹔2013年印度發射的“曼加裡安號”,耗時11個半月才進入火星軌道。

目的地相同,為何“趕路”時間不一?

劉勇告訴科技日報記者,火星探測器飛行時間相差較大,除了工程實際中火箭的運載能力和火星探測器本身的質量以外,還有兩方面因素。

其一,地球、火星的公轉軌道都不是真正意義上的正圓軌道,因此即便二者距離最近時,這一最近距離也有長有短。同理,如果不是同一年“窗口期”發射的火星探測器,其飛行距離也略有差別,飛行時長自然也會有所不同。

“每一次‘窗口期’火星探測器飛行的距離不等,下一次探測器飛行距離最短的‘窗口期’在2035年,這在天文學上被稱為‘火星大沖’。”劉勇說。

其二,飛行時間也與飛掠、環繞等不同的探測目標有關。飛掠火星隻需靠近即可,相當於“一日游”,旅途中驚鴻一瞥,拍下幾張照片,揚長而去。環繞火星則需要在特定時刻“剎車制動”,進入火星軌道成為人造火星衛星,相當於“深度游”,此后扎根在火星周圍,直至生命終結。因此,當探測器以環繞火星為任務目標時,其所攜帶的燃料更多,變軌相對復雜,飛行時間也相對長些。

除了飛行時間不一外,火星探測作為一項系統工程,還有很多耐人尋味的科學問題值得探究。正如劉勇所言:“航天工程是人類的科技極限挑戰,具有極高的風險性。期待我國首次自主火星探測任務圓滿成功。”

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火星魅力讓“探火”大軍日益壯大

國際火星探測始於20世紀60年代。90年代以來,火星探測迎來又一高潮,相關科研任務進行得如火如荼,包括美、俄、日、歐、印等國在內的“探火”大軍日益壯大。截至目前,火星探測任務已實施40余次,其中美國20余次,蘇聯/俄羅斯實施次數緊隨其后,日本、歐空局和印度也分別進行過“探火”任務。火星魅力之大,可見一斑。

那麼,各國為何對火星如此“鐘情”?

“火星是太陽系內與地球特點最為接近的行星,是人類未來移民的首選地。” 張偉表示,火星上的重力約為地球的2/5,具備較稀薄的大氣——大氣成分為95%的二氧化碳、3%的氮氣、很少的氧氣和水汽等,且可能存在水資源,通過合理改造有希望成為未來人類可以駐留的地外生存空間。

“再者,火星探測的科學價值十分突出。”劉勇在接受科技日報記者採訪時如是說。

是什麼原因導致火星失去了水?它怎樣從一個藍色星球變成現在一片荒漠的紅色星球?其大氣、環境是如何演化的?火星的今天有沒有可能就是地球的明天?這些都是科學家們想要通過相關探測去解答的問題。

此外,張偉指出,火星探測是涉及眾多高新技術領域的系統工程,要解決軌道設計、自主姿態確定與控制、著陸導航、熱控制、輻射防護、遙操作與遙分析、深空測控通信等技術問題,能夠帶動系統工程、自動控制、能源、材料、通信、遙感等眾多領域的迅速發展,也是一個國家科技實力和創新能力的重要體現。“在國際競爭日趨激烈的今天,火星探測已成為目前及未來很長一段時期國際航天大國競爭的主要‘競技場’。”張偉說。

(責編:趙竹青、呂騫)