魏半城 | 中國火星探測即將啟程：深空飛行7個月，科學目標外還有何看點？
點擊： 作者：魏半城 來源：環球時報新媒體 發布時間:2020-07-23 15:51:23
7月23日，中國首個火星探測項目“天問一號”將正式發射，7個月之后將進入火星軌道，正式開啟探測任務。
公開資料顯示，“天問一號”的探測器由著陸器與環繞器組成，將一次實現“繞、著、巡”三個步驟，對火星的環繞飛行觀測、 火星著陸以及火星巡視勘測。與以往的航天活動相比，“天問一號”將成為我國深空探測最遠一步。
另據了解，此次任務的科學目標是實現對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等進行科學探測，進而有利于建立起對火星全面而基礎的認識。
除了科學目標，“天問一號”都還有哪些看點，對人類又將做出什么貢獻？
火箭垂直轉運很“奢侈”
長征五號運載火箭從總裝廠房，向發射工位的垂直轉運過程需要兩個小時，巨大的火箭樹立在巨大的軌道車上緩緩行進的場面，成為文昌航天城的一道風景線。
垂直轉運對重大火箭發射項目尤為重要，這是因為火箭在飛行時為了確認姿態，需要配備大量的陀螺儀、加速度計等慣性測量設備，這些設備在發射前必須調試到某個初始狀態，然后保持不變，直到發射。
如果采用水平轉運，到發射工位上再將火箭豎立起來， 往往還需要重新調試，而發射工位上沒有完善的調試條件，就會給飛行帶來隱患。
所以，對于那些非常精密復雜的重型發射載具，就要采取垂直轉運的方式。
垂直轉運需要投入巨資建設高大的總裝產房、重載軌道和定制軌道車，是一種比較奢侈的做法。
在長征五號之外，發射載人飛船的長征-2F在酒泉發射中心也是采用垂直轉運的。
國外最著名的垂直轉運發射平臺，就是曾經用于轉運土星5、航天飛機的移動發射平臺，不過它采用的是一種裝有4副履帶的行走平臺，沒有軌道。2019年6月，NASA向白科特爾國際公司訂購了一臺全新的移動發射平臺，準備用來發射SLS超重型火箭，合同金額高達3.83億美元，接近獵鷹九號單次發射服務費的6倍。
對于垂直轉運，業界也有不同的聲音。比如俄羅斯的聯盟、質子等火箭都采用水平調試、水平轉運的方式，寧可起豎之后冒一定風險，也不花錢搞垂直轉運，但也正因為這個問題，在研發早期經歷了很多次失敗。
作為民營航天當紅“炸子雞”，馬斯克主打低成本的獵鷹9號和重型獵鷹火箭，也因為成本控制而采用水平轉運，不過由于馬斯克采用了一些成熟技術與創新手段相結合的方案，保證了不錯的發射成功率，也不失為一種有價值的嘗試。
長征五號運載能力再創紀錄
長征五號在2019年底恢復正常發射，而復飛的第一顆衛星，是采用東方紅五號平臺的重型通信衛星，編號為實踐20。
據介紹，東方紅五號最大起飛重量10噸，老一代的長征三號家族中運載能力最強的長征三號乙，地球同步轉移軌道（GTO）的運載能力也只有5.5噸，根本“背”不動東方紅五號這個大塊頭。
而長征五號的GTO運載能力高達14噸，是唯一國內可以運送東方紅五號進入GTO的火箭。
大塊頭對應的是大容量，東方紅五號可以攜帶大量通信設備，提供高達1Tbps的超高容量的通信衛星，這是個什么概念呢？
2017年發射的中星16號是中國第一顆所謂的高通量衛星，通信容量20Gbps，超過此前中國所有通信衛星容量的總和。如果研發出1Tbps的衛星，就是中星16號的50倍以上。
當然，長征五號這種超大火箭也可以用來發射大量小衛星，就像馬斯克的“星鏈”，目前中國也在籌建自己的寬帶互聯網星座。
例如“鴻雁”星座只需要發射300顆衛星，用長征五號只要發射幾次，就可以在2022年完成星座建設，為全世界的人們提供上網服務。
中國深空探測最遠一步
中國航天今年實施了大量重要的科學性飛行任務，包括已經成功的新一代載人飛船任務和正在途中的天問一號，也包括即將實施的嫦娥五號月球采樣返回任務和第一批中國自主空間站艙段。
無論是實驗性的天宮一號、天宮二號，還是即將部署的天和空間站，都位于距離地球表面300多千米的近地軌道。
嫦娥三號和嫦娥五號最遠抵達了距離地球38萬千米的月球正面，嫦娥四號部署在月球背面，比嫦娥三號、五號遠了一個月球直徑。
與上述幾個任務相比，天問一號跑得最遠。
這是因為，火星和地球之間的距離，最近的時候，也是地月距離的145倍，達到5500萬千米。在最遠的時候，地球和火星隔著太陽遙遙相對，距離甚至達到4億千米。
距離的差異就引申出了時間窗口的問題，只有利用好這個幾年才出現一次的窗口，才能用最短的時間抵達火星。
變軌和“剎車”能力缺一不可
從某種意義上說，奔向火星和鏈球運動差不多。
火星探測器進入繞地球飛行的軌道之后，要一邊繞飛一邊加速，當飛行速度達到了第二宇宙速度，也就是每秒11.2千米，就可以強迫地球引力場“撒手”，奔向火星。
和鏈球運動不同，火星在自己的公轉軌道上不停運動，如何把這顆價值連城的火星探測器在正確的時候，“扔”向正確的方向，然后在接近目標的時候，還要及時剎車，進入環繞火星飛行軌道，就要靠精確的計算和控制。
首先是“甩”，從地球到火星的發射窗口出現時，在環繞太陽的軌道上，地球在第三圈跑道上略微靠前，火星在第四圈跑道上略微靠后。
美國“火星勘測軌道器”利用發射窗口的示意圖，藍色為地球軌道，綠色為火星軌道，紫色是探測器奔向火星的軌道，其他火星探測器的軌道方案基本相同。
天問一號要從地球引力場甩出去，飛行7個月，最終到達火星目標位置，在這7個月里，地球和火星的距離雖然最近，也要達到5600萬千米左右，“甩”的方向要極為精確，需要讓它對準火星沖過去。
變軌取得成功之后，天問一號要持續飛行7個月。天問一號到達火星附近，開始實現火星捕獲，也就是“剎車”進入環繞火星飛行的軌道。
為了做到這一點，要把速度降低到從第二宇宙速度降低到每秒2100米，方向要正好與火星外圓相切。如果剎車太狠，就會一頭扎向火星大氣，來不及“繞”就墜落下去，任務失敗。如果剎車太溫柔，就回錯過火星，去宇宙里流浪了。
人類火星探測史上還沒有發生過確證為火星捕獲失敗的案例，但在月球探測史上，蘇聯就發生了好幾次捕獲失敗，有的墜毀，殘骸有待后人前去憑吊；有的錯過，就此消失杳無音訊。
看穿4億千米的深空測控網
測控網，顧名思義，就是能夠測量空間飛行器的位置、速度和方向，監控其上電子、光學、溫度、機械、壓力等主要參數，并且發送無線電指令加以控制。
航天器飛得越遠，測控的信號就越微弱，測控難度也就越大。因此，深空測控網必須采用口徑巨大的拋物面天線。
為了保證測量精度、保證在地球自轉和航天器飛行過程中能夠持續測控，還要跨越比較大的經度范圍設置多個測控站，因此都配上大口徑天線。
世界上只有四套深空測控網，分別屬于美國、歐洲、俄羅斯和中國。
目前，水平最高的當然是美國NASA的深空網。它在全球部署了3個測控站，每個站有4副大型拋物面天線，其中1副口徑70米，2副口徑34米，還有1副口徑是26米。
70米，這就是全球深空測控天線的最高水平。
中國的深空測控站以西安衛星測控中心為核心，由9個不同規模的測控站組成，其中負責火星發射任務的是佳木斯站和喀什站。
佳木斯站擁有66米大口徑天線，喀什站此前擁有一副35米直徑天線。在整個飛行途中，這些天線就要負責保持天問一號和地球之間的聯系。
抵達火星表面開始科考之后，由于火星車上的信號發射功率本身就比較小，還要穿透火星大氣才能進入宇宙空間，再經過數千萬千米甚至數億千米的旅程達到地球，信號會變得非常微弱。
為了借助微弱的信號傳輸能力來接收火星車拍攝的高清照片，就需要極為強大的接收天線。為此，中國在天津武清新建了一副70米口徑的超大數據接收天線，是世界第二大、亞洲最大全可動單體天線。
2015年，美國新視野號探測器飛過冥王星，向地球發回了這顆神秘矮行星的一大批高清照片，這是人類第一次看清距離大約50億千米外的另一顆行星，甚至看清了上面由甲烷冷凍而成的冰川和雪山，用來下載圖像的，正是NASA深空網的70米天線。
通過人工智能圖像識別精準輔助降落
天問一號用的所有技術當中，自動導航和著陸或許是用處最大、意義更直接的一個。
這里主要針對的是著陸器從火星軌道下降，穿過火星大氣層，然后抵達火星地表的過程。
火星大氣稀薄，減速效果有限，火星著陸器在進入大氣層后，都要先靠氣動外形產生阻力，到達一定高度、減到一定速度后，采取不同的最后著陸方案。
美國的前兩個火星車“勇氣”、“機遇”都是用氣囊包裹著著陸的，這種方式容易實現，卻無法承載重量比較大的火星車；“好奇”采用了火箭反推天車，天車裝配一組火箭發動機向下噴射逐步降低速度，然后選擇平坦著陸位置。
火星車用繩索吊在天車下面，當車輪觸到火星表面，就切斷繩索，天車加速飛走，即將發射的“毅力”號也采用這套方案。
那么，天問一號的火星車是如何降落的呢？
按照中國科學院張偉研究員的解釋，天問一號著陸器接觸到火星大氣層后，首先靠鈍頭外形做氣動減速，到一定高度、速度后拉出降落傘，降落傘完成使命之后，就拋掉防熱大底，開始最后的著陸過程。
著陸過程中火星車被配備反推火箭的著陸器托舉，當反推火箭開始噴射的時候，著陸器的速度控制在百米每秒，著陸器的相機開始拍攝畫面，人工智能算法會從圖像中找到開闊平坦的地方，引導著陸器飛行至對應位置繼續降落，到了距離地面大約10米的地方，著陸器的速度就可以減少到0，完全懸浮在空中。
隨后，計算機對圖像進行識別確認降落位置，然后收油門降落！
成功落到地面之后，著陸器上會伸出一對鐵軌似的坡道，借助軌道將火星車平緩防止到火星表面，這實際上沿用了玉兔號和玉兔二號的成熟方案，可以認為形成了中國流派。
人工智能圖像識別技術對火星探索效率的提升大有裨益。
主要是火星車行駛速度非常緩慢，有時候一天只能移動幾米，如果人們要定點考察某些區域——比如可能有水資源的巖石，就要把火星車降落在盡量接近巖石的位置，減少火星車跋涉前往所需要的時間。
NASA這次發射的“毅力”號火星車，同樣打算采用人工智能精確選擇著陸場的辦法，精確降落到預定目標位置，如果按照老辦法降落到開闊平原，再開車過去，可能要花費一年的時間在路上。
移民火星有多遠？
上面所說的一切，或許都沒有一位中國宇航員登上火星來得讓人激動。不過這件事肯定要排在載人登月的后面。需要知道，人的肉身是宇宙飛行當中最麻煩的因素。
在地球上，正常人類一年承受的輻射劑量大約是1毫西弗，但是到了地球軌道上，人類待一年遭受的輻射劑量就超過了200毫西弗。走向火星，完全脫離了地球大氣層的保護，強大的宇宙輻射就會讓這個數字急劇攀升。
為了保護宇航員，必須研制具有厚重保護層的飛船，它還要飛得夠快，讓宇航員盡快抵達火星地表，進入火星大氣層的保護之中。
這就意味著我們需要一艘外殼極厚、動力極強的飛船，它的起飛重量也遠遠超
過了天問一號這種無人探測器，也超過了長征五號的運載能力，只能用長征九號這種超重型火箭一節一節地送上天去組裝起來，而長征九號的首要任務是載人登陸月球。
合理推測，中國的載人月球飛行可能在2030年前后的某個時刻實現，那么載人登陸火星恐怕要排到2040年以后了。
眼下的美國，其實也沒有真正進入實施的載人火星探索計劃。
早在小布什政府期間，NASA曾經提出一個宏大設想，先用超重型貨運火箭兩次發射，把足夠考察組用兩年的物資和設備送到火星上。然后再發射一枚重型載人火箭，把宇航員送上火星，在那里實施為期500天的考察，然后返回地球。
但這個計劃被奧巴馬政府徹底否定了，國際宇航界有一批人對此甚為不滿，所以才提出了“單程去火星”計劃，如今這個計劃也煙消云散，只剩下馬斯克在不斷討論登陸火星和“多星球種族”的理想，NASA實際上也沒完全放棄。
移民外顯無非是要解決人類的衣食住行問題，加上呼吸。衣食問題相對容易解決，只要帶夠給養就可以。“行”的方面，美國幾十年來已經積累了為數不少的火星車方案，住和呼吸的問題反而不夠成熟。
因此，即將發射的“毅力”號火星車上，就攜帶了一套設備，研究是否能用火星大氣來制造供人類呼吸的氧氣。NASA還在2019年組織了火星建筑大賽，征集火星考察站建設方案，參賽企業還用3D打印技術制造了一些火星土坯房的模型，用推土機沖撞，來考察它們的堅固性。
中國人在火星移民上是不是也能有所作為？這需要大量無人的火星探測器先行探索，所以，天問一號在火星上碾出的車轍，就是我們中國人登上火星的萬里長征第一步。
（來源：環球時報新媒體；圖片來自網絡，侵刪）
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