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历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道
发表日期:2021-02-14 18:10| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道 经过200多天的飞行,总行程达4.6亿公里之后,我国“天问一号”火星探测器终于抵达火星。

[摘要]经过200多天的飞行,总行程达4.6亿公里之后,我国“天问一号”火星探测器终于抵达火星。

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

腾讯太空 文/乔辉

据央视新闻消息,2021年2月10日20点50分左右,在经过200多天的飞行,总行程达4.6亿公里之后,我国“天问一号”火星探测器终于来到火星附近,并在近火点实施了刹车制动,成功被火星引力俘获,进入围绕火星运行的轨道。

“天问一号”这个名称源于屈原长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境。

一、天问一号后续有什么安排?

据悉,接下来,“天问一号”还要经过几次轨道调整,以便抵达停泊轨道,然后在停泊轨道上继续围绕火星运行,并对预着陆区进行拍摄,将数据实时回传至地面。科学家会根据这些最新数据优化后续的着陆火星安排。

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

图注:“天问一号”火星任务探测器系统由环绕器和着陆巡视器组成(来源:CNSA)

据介绍,还要经过数月的充分准备后,着陆器和火星车组合体才能择机降落火星,轨道器则继续围绕火星运行,执行中继通信和火星探测等任务。

二、天问一号是如何抵达和入轨火星的?

文章开头提到,“天问一号”飞行了200多天,总行程达4.6亿公里。精确算一下,从2020年7月23日到2021年2月10日,实际共计202天。如果继续细算一下,202天飞了4.6亿公里,平均每秒大约飞行27公里!值得强调的是,这个是相对于太阳的速度。

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

图注:目前,天问一号位置示意图(来源:CNSA)。

根据轨道设计,当“天问一号”来到火星附近准备刹车的时候,其相对于火星的速度仅稍大于火星的第二宇宙速度,因此只需“轻轻”踩一脚刹车即可入轨。

当然,这个“轻轻”踩一脚刹车可不容易,要求力度和时机都要精准。如果刹车力度过大,可能坠落火星,如果刹车力度过小,无法被火星引力捕获。(注:火星的质量较小,其第二宇宙速度仅为5公里每秒,远小于地球11.2公里每秒的第二宇宙速度)。

另外,地球与火星相距遥远,信号从探测器传回地球有10多分钟的延迟,这也增加了测控难度,很多动作都要求探测器自主完成。

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

你是否仔细想过这个问题,火星轨道在地球轨道的外侧,它们共同绕太阳运动。火星绕太阳一圈大约需要2个地球年,火星运动的比地球慢,因此二者之间的相对位置在时刻变化。最远时两者之间的距离大约4亿公里,最近时大约5500万公里。那,是不是说当两者之间距离最近的时候才发射火箭呢?

答案是否定的。地球和火星的相对位置在时刻变化,我们不能有“刻舟求剑”的错误思维。

其实,早在1925年,有一位名叫霍曼的工程师就提出了一种让航天器变换轨道的最优方案,后来被称为“霍曼转移轨道”。具体到从地球飞往火星,这是一种连接地球轨道与火星轨道的椭圆轨道。

如果选取的发射时间窗口合适,当探测器沿着霍曼轨道运动到与火星轨道交点时,火星也能恰好运行到这个交点附近。对于发射火星探测器而言,这个时间窗口大约每26个月才出现一次。因此,错过发射窗口,就要再等两年!

这里要强调一下,这种最优的轨道设计不是最节省时间,而是最节省燃料,目的是为了最大限度提高有效载荷。理论上,采用霍曼转移轨道,从地球到火星要飞八个多月左右的时间。当然,探测器实际飞行的轨道往往并不是严格的霍曼转移轨道,实际飞行时间稍短或稍长。本次,天问一号耗时不到七个月就到达火星了。

三、阿联酋的“希望”号率先抵达火星

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

如果你持续关注太空,就会记得2020年有三个国家向火星发射了探测器:我国的“天问一号”探测器、美国的“毅力”号火星车和阿联酋的“希望”号探测器。其中,“希望”号探测器2020年7月20日率先发射升空,并于2021年2月10日凌晨成功率先进入了火星轨道。美国的“毅力”号计划将在2月19日直接登陆火星。

四、无形的风筝线:深空网

从地球飞到火星可不是一件容易的事情,火星探测器离开地球,在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远,发出的信号随着距离的增加而衰减,这就需要有强大的深空测控能力。

历时200多天的飞行,我国“天问一号”探测器成功进入火星轨道

图注:位于美国加州戈德斯通的70米深空网天线。

最著名的要数美国深空网(DNS),这是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网,是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。

为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续测控覆盖,深空测控网的布局通常是在全球范围内经度上间隔约120度,这样就可以确保对距离地球表面3万公里以上的航天器进行连续跟踪。

美国深空网由在全球按经度间隔120度分布的三个深空通信综合设施组成,分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室。美国深空网是目前世界上规模最大、能力最强的深空测控系统。

近年来,我国为了深空探测的需要,也建立了自己的深空网,嫦娥探月计划的成功实施,深空测控网功不可没。本次“天问一号”火星探测器,我们除了拥有推力强劲的长征五号运载火箭之外,还得益于拥有独立的全球性深空网。

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图注:佳木斯深空站66米测控设备。

我们的深空通信综合设施主要是喀什深空测控站、佳木斯深空测控站和位于阿根廷的深空测控站。为什么要到阿根廷建设深空测控站?上面我们也提到了,为了克服地球自转影响,实现对深空航天器的连续跟踪。

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图注:阿根廷深空站35米测控设备。

(责任编辑:admin)
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