首次探测即瞄准环绕、着陆和巡视三大目标

欧洲探测器登陆火星时“失联” 飞行了七个多月

中国火星探测之旅要上路了!4月22日下午,在国务院新闻发布会上,国家航天局局长许达哲宣布,中国火星探测任务正式立项,我国将于2020年前后发射火星探测器,展开首次火星探测。许达哲表示,我们做的是想一步实现绕火的探测和着陆的巡视,这相当有难度。中国火星探测器登陆火星还会遇到哪些问题?其他国家的情况又是如何呢?

明年是火星探测器的发射窗口,将有四个国家或组织的火星探测器升空,即中国的火星探测器、美国的火星-2020漫游车、欧俄的火星生物学-2020探测器、阿联酋的希望号火星探测器。

【环球网军事-航空9月21日报道 环球时报特约记者 张亦驰 柳玉鹏 环球时报记者

扬】火星“死亡星球”的魔咒再度应验。欧洲航天局19日晚宣布,原定于当天自动降落火星表面的试验登陆器“夏帕雷利”号与控制中心失联,具体状态仍待确认。“夏帕雷利”是欧洲航天局与俄罗斯合作的“火星生物学”探测计划的一部分,它的失联再次显示了火星的神秘莫测。迄今为止,人类探索火星的40多颗探测器中有一半失败,欧洲在火星探测方面也是命运多舛。

据许达哲介绍,今年1月11日正式批复首次火星探测任务,每一个窗口要26个月才能遇到,正在严密地制定工程计划,争取在2020年这个窗口发射探测和着陆巡视的火星探测器。因为现在能够在火星上着陆巡视成功的有美国,着陆的有俄罗斯,我们要能够一步到位,应该说是一个很大的跨越。

其中我国的火星探测将通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并对局部地区开展巡视探测,这在世界火星探测史上是前所未有的。

“夏帕雷利”陷入“火星魔咒”

1.中国探测器会如何登陆火星?

探测火星方式共有五种

欧空局介绍说,按照欧洲和俄罗斯合作的“火星生物学”项目的计划,此前发射的“微量气体轨道器”已成功进入环火星轨道。这是继2003年升空的“火星快车”轨道探测器后,欧空局成功发射的第二个火星轨道探测器。

按照早先的规划,中国计划赶在2018年发射火星探测器,航天专家叶培建在今年两会期间的说法表明我国之前的火星探测计划有了新的改变。叶培建说,火星每过26个月才接近地球一次,因此火星探测器的发射窗口有限,从目前来看,2018年的发射窗口已经来不及,但2020年仍有希望。

火星是太阳系中与地球最相似且距离第二近的行星,因此成为目前除地球以外人类研究程度最高的行星,人类用空间探测器对火星进行探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。探测火星对研究地球、生命的起源和演变,了解火星的气候、地质和资源,为今后在其上建立人类第二个家园做准备等,都具有重要的意义。

重约577公斤的“夏帕雷利”登陆器已按计划于16日成功与携带它的“微量气体轨道器”分离。根据计划,“夏帕雷利”应在接下来的3天缓缓接近火星,并在降落伞等减速装置的帮助下于19日自主降落至火星表面。按照程序,“夏帕雷利”进入火星大气层后关闭推进器,进行3分半钟的自由落体,由于初速度很大,其受大气层的影响,速度将降低为1700公里/小时。在距离火星表面1.1万米时,“夏帕雷利”的降落伞打开,速度进一步降至250公里/小时,当速度减为240公里/小时后,降落伞将被丢弃。“夏帕雷利”下降至距离火星表面1100米处时,“夏帕雷利”会启动反作用推进器,在2分钟内将速度降至4公里/小时。在距离火星表面只有2米时,反推发动机关机,着陆舱由底部抗冲击结构保护,自由落体着陆火星表面。整个登陆过程大约耗时6分钟。

按照中国空间技术研究院的设计,我国的火星探测器的轨道器和着陆器最开始将作为一个整体被发射到深空,在星箭分离以后,火星探测器将在火星探测工程技术人员的控制下相继展开太阳能帆板、开启定向天线并实施发动机点火开始奔赴火星。

人类探测火星的方式与探测月球的方式基本相似,包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。其中采用环绕探测方式可以对火星进行普查;采用着陆探测和巡视探测方式可以对火星进行区域性详查;采用采样返回探测和载人登陆探测方式可以对火星进行区域性精查。但它们按前后顺序来说技术难度是越来越大,所以一般都采用循序渐进的方针,先进行环绕探测,然后进行着陆探测、巡视探测、采样返回探测,最终进行载人登陆探测等。

欧空局称,在“夏帕雷利”进入火星上层大气之前,地面控制人员曾通过位于印度浦那的巨米波射电望远镜接收到它发出的信号,但在其着陆前,信号却丢失了。目前在火星轨道上运行的欧空局“火星快车”、NASA火星勘测轨道器、MAVEN轨道器以及位于印度浦那附近的巨米波射电望远镜均将尝试接收“夏帕雷利”号的信息,以确认其是否成功着陆。

在2014年11月第十届中国国际航空航天博览会上,火星探测器原尺寸模型首次与公众见面

目前,人类在探月的历程中,这些探测方式都采用过,但每次发射基本上只采用其中的一两种探测方式。例如,我国嫦娥1号、嫦娥2号采用环绕探测方式;嫦娥3号、嫦娥4号采用着陆探测、巡视探测,即一次发射两个探测器;即将发射的嫦娥5号采用采样返回探测方式,将从月球上取回2公斤样品到地球,供我国科学家在实验室里进行精查。印度今年7月22日发射的月船2号探测器原计划通过一次发射实现环绕、着陆和巡视三个目标,但其着陆器与轨道器分离后在月面着陆的计划却在9月7日遭遇失败,不过轨道器运行仍能正常工作。

俄罗斯《报纸报》20日报道称,对于与登陆器失去联系,俄罗斯科学院空间研究所地面科学综合部主任弗拉基米尔:纳扎罗夫表示:“从理论上讲,失去联系可能是登陆器在降落时产生的尘埃所致,但这样的事情发生的有点早。”俄航天集团发言人表示,未来几天有可能会与登陆器建立联系,登陆器的电池可以支持3-10天内的正常工作。发言人同时强调,只有登陆器在火星表面实现软着陆的情况下才有恢复工作的机会。

和地球以及月球相比,由于火星在太阳系中位于地球的外侧距离太阳更远,因此在火星探测器奔赴火星和在火星轨道运行的过程中,其太阳能帆板能够吸收的太阳能要比地球及月球轨道附近小得多,因此火星探测器在设计的过程中,其太阳能帆板也要比地球卫星或者月球探测器的太阳能帆板长得多。

与月球探测相比,由于火星距地球的距离比月球距地球的距离遥远得多,探测火星的难度也比探测月球的难度大得多,因此,至今人类对火星的探测只采用过环绕探测、着陆探测、巡视探测方式,未来的目标是对火星进行采样返回探测和载人登陆探测,但难度、投资和风险都将很大。

据俄新社20日报道,俄航天领域专家指出,与登陆器失去联系可能是由于遥测发射器模块装置损坏,由于在信号发送过程中的自然延迟,遥测处理可能需要很长时间。另一位参加这一项目设计的俄专家称,登陆器可能没有按照设想的软着陆到火星表面,因此造成登陆器损坏。目前欧洲方面专家对此保持沉默,这可能意味着登陆器在降落时受到严重损害。

中国空间技术研究院的3D演示图像显示,中国未来发射的火星探测器在进入地火转移轨道并经过大约10个月的星际飞行以后将会飞到临火星附近,这时地球控制人员将开始实施火星轨道捕获火星探测器的工作。从飞行时间而言,中国未来奔赴火星的旅途应该会比欧俄今年3月份进行的多3个月左右的时间,对首次奔赴火星的中国而言,这到不是问题。

绕落巡一步完成属首次

俄新网20日报道称,俄罗斯齐奥尔科夫斯基航天研究院院士亚历山大:热列兹尼亚科夫表示,火星登陆器未成功降落并不意味着这一行动失败。只是登陆器出了点问题,而轨道探测器是成功的。因此,不能说此次火星登陆使命失败,只能说是部分没有成功。

3月14日,欧俄火星探测器——ExoMars在“质子”号火箭的帮助下发射升空

一次发射完成多种探测的好处是可以少花钱,多办事,但技术复杂,风险很大,所以一般很少采用。目前,只有美国的海盗1号和海盗2号火星探测器成功实现了通过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动,但都只完成了环绕探测,而着陆探测均告失败。

该试验登陆器以19世纪意大利天文学家夏帕雷利的名字命名,主要任务是“测试进入火星大气、下降和着陆”技术,以便为欧俄2020年发射火星登陆器做准备。其携带的多种仪器可协助地面专家分析火星大气的密度、压力、温度等情况。

航天专家庞之浩表示,火星轨道捕获探测器的控制技术尤为重要,如果这一工作出现失误,探测器要么会与火星擦肩而过要么会直接撞上火星,从而导致整个火星探测工程的失败。因此,火星轨道捕获火星探测器的过程对于中国未来的火星探测而言是一个至关重要的关口。在10月左右,中国倒是可以好好研究一下欧俄火星探测器是如何被捕获的。

1975年8月20日和同年9月9日,美国先后发射了海盗1号和2号,任务是搜寻火星生命存在的证据。它们基本一样,都是由1个约2.3吨重的轨道器和1个1.1吨重的着陆器组成,飞到火星附近时分离,其中轨道器进入环绕火星的轨道进行在轨观测,着陆器进入火星大气并在火星表面着陆,但它们的着陆地点不同。

“火星生物学”项目是欧洲发射“火星快车”轨道探测器后开展的第二个火星探测项目,主要目标是寻找火星上是否存在生命的证据。该项目预计耗资14亿至16亿美元,分两阶段实施,目前处在第一阶段。原定于2018年启动的第二阶段任务已被推迟至2020年。届时,一个配备先进电子设备、火箭推进器、制导雷达和降落伞的火星登陆器将被送上火星,并释放一台重约300公斤的火星车,对火星展开地面考察并寻找生命迹象。

在火星探测器成功被火星轨道捕获以后,探测器将进入到环绕火星运行的大椭圆轨道。此后火星探测器的轨道器与着陆器将会择机分离,轨道器而后会运行在火星轨道上进行为期至少一年的运行,进行火星重点区域拍摄、火星环境监测等一系列的工作;而着陆器在点火与轨道器分离以后将会开始登陆火星。

1976年6月19日,海盗1号轨道器进入环绕火星轨道;同年7月20日,海盗1号着陆器在火星表面着陆,成为世界上首个在火星上着陆的探测器。1976年8月7日,海盗2号轨道器进入环绕火星轨道;同年9月3日,海盗2号着陆器在火星表面着陆。它们为后来的火星探测器在火星软着陆奠定了基础。

今年3月14日,由欧空局和多家俄罗斯航天机构联合研制的“微量气体轨道器”携带试验登陆器“夏帕雷利”搭乘
“质子-M”运载火箭发射升空,在抵达火星前总共在太空中飞行了约4.96亿公里。

2.火星着陆和月球着陆一样吗?

英国和欧洲航天局就没有这么幸运了。2003年6月2日,欧洲火星快车探测器升空。它是由欧洲的火星快车轨道器和英国的猎兔犬2号着陆器两部分组成。2003年12月19日,着陆器与轨道器分道扬镳,其中欧洲轨道器于2003年12月25日进入环火星轨道,然后开始探测工作,并超期服役至今。着陆器在与轨道器分离后就失去了联系,一直没有音讯,使英国乃至欧洲航天界百思不得其解。直到2015年1月16日,英国航天局发布声明称,通过美国火星勘测轨道器拍摄的高分辨率图像,在火星表面发现了10余年前失踪的英国猎兔犬2号着陆器。图像显示,猎兔犬2号降落在预定着陆区,它的引导伞仍连着着陆器,主降落伞散落在附近,太阳能电池板没有完全展开,所以导致其无法与地球取得联系。

未来,轨道器将利用约一火星年为火星拍照并探测其大气成分,比如甲烷。因为这是地球上生物分解时会产生的气体,如果能在火星上发现甲烷,就表明火星地表可能存在生命。

与“嫦娥三号”月球着陆器明显不同的是,将来我国的首个火星着陆器会带着一串气囊,技术人员介绍,这主要是用于将来在火星着陆上的。将来登陆火星时,降落伞和发动机反推的方式配合使用将会让在降落伞下方悬挂的火星着陆器以安全的速度接近火星表面。

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