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全网刷屏的火箭,你了解多少?

  • 2020年07月23日 16:20
  • 来源:科技狐
  • 作者:世界杯预选赛-世界杯赛程表_足球赛事直播表2016

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩形象地比喻说,探测器进入火星轨道的难度,相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样。 我国“天问一号”能...

就在昨天中午,天问一号成功发射,预计将在 7 个月后到达火星。

全网刷屏的火箭,你了解多少?

“天问”来源于屈原的长诗:天问。

寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。

天问一号属于此次中国行星探测任务当中的首个任务,首先探测火星,但是可以预见,在接下来的“天问二号”“天问N号”,未来,我们除了火星,而还会去地球最近的邻居金星,甚至,前往更大难度的太阳系内侧水星和外侧四大气态行星(木星、土星、天王星、海王星)。

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屈原对茫茫宇宙发出的灵魂叩问,如今由我们来应答。

但这份回答没那么容易。

国际火星探测起步于 20 世纪 60 年代,截至目前共实施了 44 次活动[美国21次,苏联/俄罗斯19次,日本1次,欧洲空间局(European Space Agency, ESA,以下简称欧空局)2次,印度1次]。

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当中,即便算上部分成功的次数,也只有23次,成功率约53%。因此,火星曾一度被称为“航天器的墓地”

跟登月相比,上火星到底难在哪?

困难1:远距离,长延时

要知道,相比于去往 38 万公里外的月球,火星可遥远得多得多。火星和地球都是环绕太阳的行星,这意味着,两者的距离会不断变化:地球和火星位于太阳两侧时最远距离大约 4 亿公里,而位于太阳同侧最近时也有 5460 万公里远。

也就是说,即使是火星最近的时候,也有月球的 150 倍远

远距离,造成的是长延时。从地球发送命令到探测器上,虽是光速也需要约 23 分钟才能接收到。那么完全依靠地球这边送信号是不行的,这就需要探测器要足够“独立自主”才行。

困难2:运动规律不同造成设计技术的苦难。

月球是地球的小跟班,只是绕着地球公转;但是火星是行星,它绕太阳公转。

运行规律不同直接导致轨道运行的设计困难。

比如,在发射窗口上面,理论上每个月我们都有一到两次的机会进行发射;但是火星探测则是每 26 个月才有一次发射机会。

而今年火星窗口是从 7 月中旬到 8 月中旬,而这也是为什么这一次美国,阿联酋,中国都默契地选择最近来执行火星探测。

因为现在不去,就得再等两年了。

困难3:太阳辐射微弱造成能源获取的困难。

到达火星上面的“火星车”需要长期在火星上执行探测等等任务,所以需要大量的能源需要。

[机遇号火星车]

但是太阳距火距离,相比较太阳距地距离要远得多,而且受大气,沙尘暴天气影响,所以火星上能够接受到的太阳辐照强度最多只能到月球表面的 20%,导致火星车的发电功率很低。

与此同时,火星的平均气温在 –60 ℃ 左右,最低可达 –125 ℃ 。如此恶劣的环境温度,再加上大气的对流散热,对火星车保持温度带来了严重的影响。

困难4:火星车长期移动带来的技术困难。

火星车需要长期在火星上面执行探测任务的。每天的微信步数可不能随便晃一晃造假,每一步都是实实在在,且得步步小心。

由于没有火星地表的高清地图,所以如果火星车不够灵活,耐磨,一旦脚踩到什么小石头,很可能不是被卡死,就是被磨破脚,那真是喊破喉咙也没有人来救了。

因此,这也就对火星车的设计提出了更高的要求。

困难5:火星降落对于降落伞的设计困难。

最后,这里必须要提到的就是降落时候的“恐怖7分钟”。

这 7 分多钟,重要到可能直接决定火星任务的生死成败。

整个过程分为四个减速段:

首先,当然要急刹车,也即是气动减速段。需要在 290 秒内,从 4.8 公里每秒减速到460 米每秒。

接下来,在90 秒内,打开降落伞使速度降低到 95 米每秒

火星具有稀薄大气,因此着陆需要用降落伞减速,但火星的大气密度极低,并且需要在超音速[音速: 340m/s]条件下开伞。

第三阶段是动力减速段

探测器的反推发射机开始工作,在 80 秒将速度减小到 36 米每秒。

最后还剩下100米,叫悬停避障,也叫着陆缓冲段。

这是为选定着陆点做最后的准备,看看地面有没有坑或者是大的石头,这样可以保证落地不翻车。着陆巡视器则是在火星表面软着陆,并且释放火星车,在火星表面进行火星勘测。

火星车会在火星上停留90个火星日。整个降落过程,要是有那么1秒的误差,都难以成功。

这恐怖7分多钟,想要降落得好,这个降落伞是很重要的。降落伞设计的约束条件与地球返回式卫星和载人航天工程采用的降落伞截然不同,这也带来了一定的技术困难。

所以说,想要上火星可比月球是难多了。

全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩形象地比喻说,探测器进入火星轨道的难度,相当于从巴黎打一个高尔夫球要正好落到东京的某个球洞里一样。

我国“天问一号”能够成功,真的是一个“靠人不如靠己”的励志故事。

其实早在 2011 年 11 月 8 日,我国就准备开启火星之旅了。

当时的“萤火一号”,搭载着俄罗斯的福波斯·土壤号(Phobos-Ground)项目一起发射的火箭,准备上天。

可惜的是,俄罗斯的天顶-2SB(Zenit)火箭在10分钟内将它们送出地球后,首次变轨成功,但第二次变轨失败,随着俄罗斯火箭焚毁,萤火一号也一同消失在大气里。

此次失败给了中国的探索火星计划严重打击。但是,今年,经过 9 年的积淀,我们终于重拾勇气,重新出发!

作为刚上火星的小白,我们一开始就定下了“绕”“落”“巡”三个目标,计划在一次任务中完成环绕、着陆和巡视3个目标。

一来就完成这三目标这可不得了,这是世界航空史的首例。之前,像欧空局和俄宇航的 ExoMars,两次任务加起来就是其实就是绕,陆,巡,三次任务。

而此次“天问一号”相当于把多个任务一次性给干完。

不过要同时进行多个任务,也就是意味着,要搭载的东西就多了。东西一多,搭载器,也就是火箭,就要更大了。所以这就是为什么此次的搭载火箭“长征5号”被称为“胖5 ”的原因。

同样是第一次上火星,前几天刚成功发射希望号的阿联酋,他们好像更为佛系。

他们此次上天,阿联酋希望号只携带3个科学仪器,1个成像仪、2个光谱仪。

简单来说,希望号只能拍拍照片,测测火星的大气组成,可以说想要靠希望号进行一些有用实在的科学探索是不太可能。

而希望号的整个研制过程和阿联酋本身也好像没啥关系:因为希望号,主要采用美国技术,最后还是在日本发射,只有制作是在本国制造。

但是中国的天问一号则是中国独立研制,只搭载部分外国科学仪器,这是本质上的差距。

初生牛犊不怕虎,牛犊需要勇气,但是更需要实力。谁带来的勇气和实力?这背后是多年探月工程的奠基带来的底气和实力。

短短几年间, “嫦娥一号" "嫦娥二号"成功环绕月球, "嫦娥三号"实现软着陆,让火星探测有例可循的。

因此,可以说,没有探月工程的奠基就没有今天的火星探测。

新冠病毒的肆虐,埃博拉病毒的在非洲的爆发,才过去一半的2020年,我们却见证了太多的恐慌 死亡 茫然无措。

这些事件,让我们感叹魔幻现实主义的同时,也深深感到人类个体的渺小与无知。

正是因为渺小,所以更懂得宇宙的宽阔与伟大。

正因为渺小,所以敬畏。

“上下未形,何由考之?冥昭瞢闇[[méng àn],谁能极之?”天地尚未成形之前,又从哪里得以产生?明暗不分浑沌一片,谁能探究根本原因?

带着屈原对于苍茫宇宙的发问,我们的天问一号上天来。

或许我们需要数十年来回答,但是我们对宇宙的追问不变。

参考文献:

1耿言,周继时,李莎,等. 我国首次火星探测任务[J]. 深空探测学报,2018,5(5):399-405.



(注:来源如注明,世界杯预选赛-世界杯赛程表_足球赛事直播表2016,编辑:哲芹)
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